Brevet FR2587414A1 — publié le 19870320

La présente invention concerne un statoréacteur du type comportant une chambre de combustion dans laquelle débouchent au moins une, mais en général plusieurs manches à air équipées chacune d'un dispositif d'injection de carburant. Elle concerne également un mobile aérien, tel qu'un missile ou analogue, propulsé par un tel statoréacteur. Dans ce type de propulseur aérobie, la combustion résulte du mélange du carburant et des écoulements d'air captés à l'extérieur par l'intermédiaire des manches à air, qui les conduisent jusqu'à la chambre de combustion où se produit la réaction de combustion. La chambre de combustion est toujours le siège de fluctuations de pression résultant de la combustion et du brassage des différents éléments fluides en mouvement. Pour certains régimes de moteur, les fluctuations de pression dans la chambre de combustion deviennent importantes au point d'atteindre un niveau qui dépasse 50 z de la pression moyenne produisant la poussée. Divers inconvénients résultent de telles fluctuations les gaz chauds constituent alors des jets ablatifs pour les protections thermiques de paroi interne et les vibrations de structures engendrées peuvent détruire les équipements embarqués au bord du mobile aérien. On doit remarquer que le fonctionnement à l'intérieur de la chambre de combustion est toujours instationnaire ; sa stabilité et ses performances sont directement liées à la façon dont sont mis en contact les jets de mélange~air- carburant, les gaz chauds brûlés, le carburant ruisselant sur les parois, etc... Le brassage de ces fluides est le siège de turbulences qui participent activement à l'entretien du processus de la combustion ; ainsi un certain niveau vibratoire s'avère nécessaire. Il serait donc important de tenter d'éliminer les variations de pression par trop importantes, sans toutefois aller jusqu'à les supprimer totalement, car alors les performances du statoréacteur deviendraient médiocres. Les zones instables situées à la limite des flammes et dans le sillage tourbillonnaire des jets du mélange air-carburant à l'entrée dans la chambre de combustion sont principalement à l'origine des fluctuations dé pression. L'analyse spectrale de telles fluctuations de pression de fort niveau montre qu'elles sont organisées autour de fréquences pouvant être identifiées comme caractéristiques d'un mode acoustique de la cavité constituée par la chambre de combustion. L'ensemble constitue un résonateur soumis à de multiples excitations. Divers perfectionnements ont permis de pallier en partie ces inconvénients. Les solutions connues consistent, soit en des dispositifs d'amortissement de la chambre de combustion, soit en des dispositifs visant à redulre le - phénomèe èxcitateur. Dans l'état actuel de la technique, on utilise des dispositifs d'amortissement accordés sur les vibrations de combustion rencontrées (screech) qui, sans changer la conception d'ensemble du moteur, n'agissent pratiquement pas sur sa stabilité. Parmi les systèmes les plus connus, l'un d'eux, basé sur le principe du résonateur d'Helmotz, utilise une double paroi chemisée dite "anti-screech". Un autre système procure l'amortissement acoustique de l'ensemble au moyen de parois d'amortissement disposées dans la chambre de combustion. Toutefois, la complexité des phénomènes apparaissant dans un statoréacteur est grande, notamment pour les chambres de combustion tourbillonnaires à recirculation, et aucun modèle théorique ne permet de représenter correctement ces phénomènes. Toute définition valable doit faire appel à des essais expérimentaux. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en réduisant par un dispositif simple, les vibrations de combustion extrêmement préjudiciables qui se produisent dans les chambres de combustion. Elle peut être mise en oeuvre isolément ou en combinaison avec d'autres moyens concourant à réduire lesdites vibrations. A ces fins, selon l'invention, le statoréacteur du type comportant une chambre de combustion dans laquelle au moins une manche à air, équipée d'un dispositif d'injection de carburant, débouche par une ouverture, est remarquable en ce qu'il comporte des moyens de guidage pour prolonger au moins en partie, à l'intérieur de ladite chambre de combustion, le jet du mélange air-carburant amené par ladite manche. En effet, la demanderesse a constaté que le prolongement au moins partiel du pourtour des entrées du mélange air-carburant modifie l'émission des tourbillons à l'intérieur de la chambre de combustion, ainsi que le comportement instationnaire de l'ensemble. Grâce à un tel prolongement, aucune instabilité de combustion n'est plus déclenchée par résonance à une fréquence acoustique propre à la chambre de combustion le foyer étant insuffisamment excité. Lesdits moyens de guidage peuvent être actifs sur la totalité du pourtour de ladite ouverture. Toutefois, l'expérience a montré que, dans la plupart des cas, notamment lorsque l'ouverture est latérale par rapport à la chambre de combustion et lorsque l'axe de ladite ouverture est incliné par rapport à l'axe du statoréacteur, il était suffisant que le jet du mélange air-carburant soit guidé à la périphérie extérieure (par rapport à l'axe du statoréacteur) de ladite ouverture. Plus précisément, lorsque ladite ouverture a une forme au moins sensiblement rectangulaire, lesdits moyens de guidage peuvent n'être actifs qu'au voisinage des coins extérieurs de ladite ouverture. La forme, les dimensions, l'agencement desdits moyens de guidage peuvent être extrêmement variables et doivent être déterminés, à chaque fois, par expérimentation, en vue d'être optimalisés. Dans de nombreux statoréacteurs, il est connu de prévoir dans ladite ouverture des obstacles au jet du mélange air-carburant. De tels obstacles sont destinés par exemple à améliorer la stabilité de la combustion ou bien encore à servir de renfort au fond de la chambre de combustion, dans lequel débouchent les manches à air, si lesdites ouvertures sont importantes. Avantageusement, lorsqu'au moins un obstacle est disposé dans ladite ouverture, on prévoit des moyens de profilage pour guider le jet du mélange air-carburant en aval dudit obstacle. Lesdits moyens de guidage et/ou lesdits moyens de profilage peuvent être constitués par des parois rigides, par exemple de tôle, montées fixes ou mobiles. L'avantage principal de monter les parois de façon mobile réside en ce que celles-ci peuvent être escamotées à l'intérieur desdites manches à air lorsque le statoréacteur ne fonctionne pas ; elles ne sont mises en place sur le pourtour de l'ouverture, à l'intérieur de la chambre de combustion, qu'au moment du fonctionnement du statoréacteur. Ainsi, en dehors du fonctionnement du statoréacteur, lesdites parois libèrent ladite chambre de combustion, dans laquelle on peut donc loger un propulseur consommable, par exemple du type à poudre. Bien entendu, le passage des parois rigides de leur position escamotée dans une manche à air à leur position de travail dans la chambre de combustion peut être réalisé à l'aide de tout mécanisme adéquat, mettant par exemple en oeuvre des mouvements de translation et/ou de rotation. En variante, lesdits moyens de guidage et/ou lesdits moyens de profilage peuvent être constitués par des jets d'air. Ces jets d'air peuvent être dérivés des manches à air par des conduits spéciaux appropriés. Quoique, comme on l'a dit ci-dessus, lesdits moyens de guidage doivent être définis précisément de façon expérimentale, on a trouvé que leur pénétration à l'intérieur de. la chambre de combustion devait être comprise entre 0,15 d et 3 d, d étant le diamètre équivalent de la section de la chambre de combustion déterminé par l'ouverture de la manche à air concernée. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre schématiquement, en coupe longitudinale, un missile connu équipé d'un statoréacteur du type auquel s'applique l'invention. La figure 2 est une vue schématique du fond de la chambre de combustion, vu selon la flèche II de la figure 1. La figure 3 correspond å la figure 2 et illustre un mode de réalisation du perfectionnement selon l'invention. La figure 4 illustre schématiquement et partiellement le perfectionnement selon l'invention. Les figures 5 et 6 montrent des modes de réalisation pratiques du perfectionnement de l'invention. Les figures 7 à 12 illustrent schématiquement des variantes de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un missile 1 propulsé par un statoréacteur 2 du type concerné par la présente invention. Le missile 1 comporte un corps 3 contenant, entre autres, les appareils et charges usuels (qui ne sont pas représentés car n'étant pas impliqués par l'invention) et un réservoir de carburant 4, pour l'alimentation du statoréacteur 2, fixé à la partie arrière dudit corps 3. Le statoréacteur 2 est constitué d'une chambre de combustion 5, se terminant à l'arrière par une tuyère d'éjection 6 et reliée, vers l'avant, à deux manches à air 71 et 72 diamétralement opposées. Les manches à air 71 et 72 sont disposées à la périphérie du corps 3 et elles sont solidaires de celui-ci. Chacune d'elles, vers l'avant, comporte une entrée d'air correspondante 81 ou 82 et, vers l'arrière, débouche dans la partie avant 9 de la chambre de combustion 5 par une ouverture correspondante 101 ou 102 . Généralement, ladite partie avant 9 de la chambre de combustion 5 est au moins sensiblement sphérique et elle est reliée à la chambre de combustion 5 par un dispositif d'accouplement représenté par le système de bride 18. Le plus souvent, le diamètre de la chambre de combustion 5, qui est alignée avec le corps 3, est voisin de celui dudit corps. Dans ces conditions, un coude 111 ou 112 est prévu dans chaque manche à air 71 ou 72 pour raccorder la partie de celle-ci fixée à la paroi extérieure du corps 3 à l'ouverture 101 ou 102 correspondante de la chambre de combustion 5. Dans chaque manche à air 71 ou 72 est prévu, de préférence au voisinage de l'ouverture 101 ou 102 correspondante, un dispositif 121 ou 122 d'injection de carburant. Les dispositifs 121 et 122 sont commandés par un dispositif 13 d'alimentation et de régulation de carburant porté par le corps 3 et relié au réservoir 4. De préférence, un revêtement de protection thermique 14 est prévu sur les parois intérieures de la chambre de combustion 5. Le fonctionnement du missile 1 peut être le suivant. Initialement, le statoréacteur 2 n'étant pas en service, le missile 1 est mû par. un propulseur consommable 15 (par exemple une charge de poudre) logé à l'intérieur de la chambre de combustion 5. Quand le propulseur 15 est en fonctionnement - les manches à air sont obturées (par des obturateurs non représentés) à l'entrée de la chambre de combustion 5 ; - une tuyère d'accélération (non représentée) plus petite que celle du statoréacteur est en place à la sortie de la chambre de combustion 5. A la fin du fonctionnement du propulseur 15, ladite tuyère d'accélération et lesdits obturateurs d'entrée d'air sont éjectés et l'air pénètre (flèches F) dans les manches à air 71 et 72 à travers les ouvertures 81 et 82 et est amené dans la chambre de combustion 5. A la fin du fonctionnement du propulseur consommable 15, le dispositif 13 alimente les dispositifs d'injection 12 et 122 en carburant et ce dernier est enflammé. Le statoréacteur entre alors en fonctionnement et prend le relais du propulseur 15 (qui a disparu) pour propulser le missile 1. Pendant le fonctionnement du statoréacteur 2, il apparaît des tourbillons détachés t dans le sillage. des jets aux entrées 101 et 102 dans la chambre de combustion 5. Ces tourbillons détachés sont la cause principale des vibrations mentionnées ci-dessus. Sur la figure 2, qui correspond à une vue schématique de la partie avant 9 de la chambre de combustion selon la flèche II de la figure 1, on a supposé que - cette partie avant 9 était sphérique - les manches à air 111 et 112 et les ouvertures 101 et 102 présentaient une section rectangulaire - chaque ouverture 101 et 102 était subdivisée en deux par une portion 19 du fond 9, en forme de barre ; - les dispositifs 121 et 122 d'injection de combustible n'étaient pas visibles. La figure 3, qui correspond à la figure 2, montre comment le statoréacteur selon l'invention peut être perfectionné pour éliminer lesdites vibrations parasites. Pour cela, à chacune des ouvertures 101 à 102 sont associées deux parois de guidage 161, 162 et 163,164, disposées selon l'orientation du sillage des jets air-carburant entrant dans la chambre de combustion 5. Cette direction est naturellement donnée par la géométrie des entrées d'air 101 et 102 et leur disposition par rapport au foyer de la chambre de combustion. Ces parois de guidage 161 à 164 modifient le sillage tourbillonnaire des jets qui pénètrent dans la chambre de combustion, et agissent sur l'émission des tourbillons 15 dans cette zone particulière, tourbillons qui sont une cause d'excitation des vibrations de combustion. Ainsi, grâce aux parois de guidage 161 à 164, on prolonge au moins partiellement, le pourtour des entrées d'air t0 et 102 à l'intérieur de la chambre de combustion 5 et on peut éviter les vibrations de trop forte amplitude. Un tel prolongement du pourtour des entrées 101 et 102 de mélange air-carburant, guide les jets d'air-carburant à l'intérieur de la chambre de combustion 5, et modifie l'émission des tourbillons t ainsi que le comportement instationnaire de l'ensemble. La pénétration des parois de guidage 161 à 164 à l'intérieur de la chambre de combustion 5 doit être suffisante pour être efficace. Pour chaque statoréacteur, la disposition de ces parois par rapport aux jets d'air-carburant entrant dans la chambre de combustion doit être telle que l'alimentation des zones de recirculation de la chambre de combustion ne soit pratiquement pas modifiée, et n'affecte pas les performances et la stabilité du statoréacteur. Les zones tourbillonnaires sont localisées à l'entrée du foyer par effet de trompe provoqué par les jets du mélange air-carburant et elles se retrouvent piégées derrière les parois de guidage 161 à 164. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, chaque paroi de guidage 161 à 164 est une tôle fixée, par un rebord 171 à 174, sur la partie avant 9 de la chambre 5, enveloppant les coins extérieurs (par rapport à l'axe X-X) des ouvertures 101 et 102. A cause de la forme sphérique de la partie avant 9, ces parois 161 à 164 convergent vers l'axe X-X du statoréacteur. Toutefois, par rapport à l'axe de l'ouverture 10t ou 102 correspondante, les ailes desdits parois 161 à 164 sont de préférence faiblement inclinées. Le schéma de la figure 4, qui illustre la manche à air 7 et son ouverture loi dans la partie avant 9, permet de définir la pénétration P des parois 161 et 162 par rapport aux dimensions de ladite manche à air 71 Cette pénétration P est définie comme la longueur d'une paroi de guidage 161 ou 162 située à l'intérieur de la sphère matérialisée par la paroi interne sphérique 9 de la chambre de combustion 5. Dans un exemple de réalisation pratique de l'invention, on avait P = 0,27 H avec H/L = 1,44 et H/D = 0,626, H et L étant respectivement la hauteur et la largeur d'une manche à air 71 ou 72t et D le diamètre de la sphère 9. D'une manière générale, si S est la section périphérique du foyer en regard des manches à air 7a et 72t on a trouvé que la pénétration P devait être comprise entre 0,15 d et 3 d, d étant le diamètre équivalent de cette section S, c'est-à-dire d étant égal à Sur les figures 3 et 4, les parois de guidage 161 à 164 sont espacées les unes des autres et constituent un guidage discontinu. En revanche, sur la figure 5, on a représenté un mode de réalisation pratique dans lequel les parois de guidage 161 à 164 forment un guidage continu sur trois des quatre côtés de chaque ouverture 101 et 102. Seul le côté intérieur desdites ouvertures n'est pas pourvu de paroi de guidage.Dans le mode de réalisation pratique de la figure 6, les parois 161 à 164 forment un guidage proche de celui des figures 3 et 4 et elles sont fixées par des goussets 26 au fond 9 de la chambre de combustion 5. De préférence, l'embase des parois 161 à 164 se trouve légèrement en retrait par rapport au contour de l'ouverture 101 ou 102 correspondante, afin de ne pas gêner au moment de la mise en fonctionnement du statoréacteur, l'éjection des obturateurs installés dans les manches à air 71 et Avantageusement, l'une des faces des parois 16a à 164 est constamment au contact du jet Froid du mélange air-carburant circulant dans les manches à air 71 et qui est à la température totale du Mach de vol. Puisque ces parois 16a à 164 sont agencées pour ne pas engendrer de décollement de jets, elles sont correctement refroidies et peuvent être réalisées simplement en acier. Au lieu d'être fixes comme cela est montré sur les figures 3 à 6, les parois 161 à 164 peuvent être mobiles, pour être escamotables dans les manches à air 71 et notamment lorsque le propulseur consommable 15 occupe la chambre de combustion 5. Les figures 7 et 8 illustrent schématiquement, respectivement en perspective de l'avant et en vue de côté, comment les parois 161 à 164 peuvent être escamotées ou déployées par translation, par exemple au moyen d'un dispositif à glissière. En variante, la figure 9 illustre, également schématiquement, comment les parois 161 à 164 peuvent être escamotées ou déployées par rotation, par exemple au moyen d'un dispositif à pivot 20. Par ailleurs, les moyens de guidage conformes à l'invention, au lieu d'être réalisés par des parois rigides 161 à 164 peuvent être des parois fluides 21 (voir la figure schématique 10). Pour cela, il suffit de prévoir des buses de soufflage 22, alimentées en air de préférence à partir des manches 71 et 72' par des conduits spéciaux extérieurs à la chambre de combustion 5. Les obstacles 19 prévus en travers des ouvertures 101 et 102 servent, à la fois, à améliorer la stabilité de la combustion et à rigidifier la partie avant 9, puisque lesdites ouvertures 101 et 102 sont de grandes dimensions. De préférence, comme cela est montré schématiquement sur la figure 11, on prévoit un profilage rigide 23 en aval desdits obstacles, afin de réduire encore la formation de tourbillons susceptibles d'engendrer des vibrations. Sur la figure schématique 12, on a illustré que le profilage rigide 23 pouvait être remplacé par un jet d'air 24, provenant d'une buse 25 alimentée de façon semblable aux buses 22. REVENDICATIONS 1 - Statoréacteur du type comportant une chambre de combustion (5) dans laquelle au moins une manche à air (71t72) équipée d'un dispositif d'injection de carburant (121,122), débouche par une ouverture (101,102), caractérisé en ce qu'il comporte1 au voisinage du pourtour de ladite ouverture (101,102) des moyens de guidage (161 à 164,22) pour prolonger au moins en partie, à l'intérieur de ladite chambre de combustion (5), le jet du mélange air-carburant amené par ladite manche à air (71r72) 2 - Statoréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage sont actifs sur la totalité du pourtour de ladite ouverture (101,102). 3 - Statoréacteur selon la revendication 1, dans lequel l'axe de ladite ouverture est incliné par rapport à l'axe du statoréacteur, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage sont actifs au moins à la périphérie extérieure (par rapport à l'axe du sta=toréacteur) de ladite ouverture (101,102). 4 - Statoréacteur selon la revendication 3, dans lequel ladite ouverture a une forme au moins sensiblement rectangulaire, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage sont actifs au moins au voisinage des coins extérieurs de ladite ouverture. 5 - Statoréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins un obstacle (19) au jet de mélange air-carburant est prévu dans ladite ouverture (101,102), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de profilage (23,25) pour guider ledit jet de mélange air-carburant enaval dudit obstacle. 6 - Statoréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage (161 à 164) et/ou lesdits moyens de profilage (23) sont constitués par des parois rigides fixes. 7 - Statoréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage (161 à 164) et/ou desdits moyens de profilage (23) sont constitués par des parois rigides amovibles. 8 - Statoréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de guidage (22) et/ou lesdits moyens de profilage (25) sont constitués par des jets d'air. 9 - Statoréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pénétration desdits moyens de guidage (161 à 164,22) à l'intérieur de ladite chambre de combustion (5) est comprise entre 0,15 d et 3 d, d étant le diamètre équivalent de la section de la chambre de combustion déterminé par l'ouverture (101,102) de la manche à air concernée. 10 - Missile, caractérisé en ce qu'il comporte un statoréacteur du type spécifié dans l'une des revendications 1 à 9.