Brevet FR2614650A1 — publié le 19881104

Dispositif obturateur pour gaz-chauds chargés de particu- les, en particulier pour commander le débit des gaz chauds riches en combustible sortant de la chambre de précombustion d'un statoréacteur à propergol solide. La présente invention concerne un dispositif obturateur destiné à commander le débit volumique de gaz chauds chargés de particules sortant d'une enceinte, en particu- lier de gaz chauds riches en combustible sortant de la chambre de précombustion d'un statoréacteur à proper- gol solide, comprenant de préférence plusieurs ouvertures de sortie rondes à arêtes relativement vives, faisant saillie à l'intérieur de l'enceinte et se trouvant dans un plan' de sortie commun, ainsi qu'au moins un tiroir rotatif qui est disposé à une distance axiale réduite du plan de sortie et est mobile parallèlement à ce dernier et dont les surfaces de commande peuvent être amenées par pivotement devant les ouvertures de sortie correspondan- tes. Des dispositifs obturateurs de ce type sont utilisés en particulier dans des moteurs-fusées du type statoréacteur à propergol solide et sont notamment décrits dans la demande de brevet DE 30 05 864 et le modèle d'utilité DE 85 32 148. On commande ainsi le débit volumique des gaz chauds riches en combustible produits dans la chambre de précombustion avec insuffisance d'oxygène, vers la chambre de combustion principale fonctionnant 1 avec de l'air sous pression dynamique, afin, par l'inter- médiaire du débit du statoréacteur, d'influencer de manière appropriée la poussée et la durée de la combus- tion. Comme il ressort des documents cités, on a vu ces dernières années s'imposer une structure à tiroirs rotatifs, dans laquelle les pièces actives du point de vue de la mécanique des fluides du dispositif obtura- teur sont logées dans la zone de sortie de la chambre de précombustion et les dispositifs de commande et de réglage de ces pièces en étant isolés le plus possible de ces gaz entre la chambre de combustion principale et la chambre de précombustion. Il convient de considérer que les organes de réglage d'écoulement (tiroirs rota- tifs, ouvertures de sortie) fonctionnent dans des condi- tions extrêmement défavorables du point de vue mécanique et thermique. Des pressions fortes (jusqu'à 100 bars environ), des températures élevées (jusqu'à 1600 C envi- ron) et des vitesses d'écoulement localement importan- tes règnent dans la chambre de précombustion. Toutefois, les particules de combustible brûlantes et extrême- ment adhérentes contenues dans les gaz chauds produits sont les plus problématiques. Elles se déposent pratique- ment sur toutes les pièces voisines, telles que la paroi c8té sortie de la chambre de combustion, les tiroirs rotatifs, les ouvertures de sortie, etc., et forment, plus la durée de combustion augmente, des couches toujours plus épaisses qui peuvent nuire au fonctionnement mécanique et de mécanique des fluides jusqu'à la panne complète. Comme il ressort en particu- lier du modèle d'utilité DE 85 32 148, on vise à écarter ces risques par des dispositions de construction. Les ouvertures de sortie auxquelles sont raccordés les tubes d'acheminement de gaz, dépassent de la paroi de la chambre de combustion d'une distance correspondant 26 1 4650 1 au moins à l'épaisseur de la couche de dép8t attendue. Les tiroirs rotatifs fonctionnent sans contact avec les ouvertures de sortie. Selon la réalisation, ils recouvrent plus ou moins selon les besoins les sections transversales de sortie par leurs bords de commande en maintenant un écartement axial constant (Figures 1 à 4) ou ils recouvrent toujours entièrement les sections transversales de sortie et modifient alors l'écartement axial (Figure 5). Afin d'obtenir des sections transversa- les de sortie définies exactement avec une surface d'at- taque réduite pour des dépôts, les ouvertures de sortie sont munies d'arêtes d'écoulement vives, en forme de tranchant annulaire. Cela entraîne toutefois, en particulier lorsque les sections transversales de sortie sont largement libérées par les tiroirs rotatifs, un fort rétrécissement du jet (orifice Borda) à l'inté- rieur des tubes d'acheminement de gaz, si bien que les sections transversales d'écoulement géométriquement présentes ne peuvent être utilisées que partiellement. Les zones mortes dans la zone du rétrécissement du jet sont en outre des endroits privilégiés pour des dépôts de combustible, si bien qu'il faut s'attendre à un rétrécissement de plus en plus important du jet au fur et à mesure de la combustion. L'invention a pour objet de créer un dispositif obtura- teur qui améliore considérablement les conditions de mécanique des fluides et entraîne des dépôts réduits de combustible. Cet objectif est réalisé en ce que le tiroir rotatif ou les tiroirs rotatifs comportent, pour chaque ouverture de sortie, une tuyère d'admission arrondie de manière favorable à l'écoulement, qui peut être amenée par pivotement coaxialement devant l'ouverture de sortie correspondante et dont la section transversale la plus étroite côté sortie est à peu près égale à celle de l'ouverture de sortie, et en ce que chaque tiroir rotatif présente en direction circonférentielle à côté de chaque tuyère d'admission el, mrtis nr.e Frfae de commande fermée par laquelle l'ouverture de sortie correspondante peut être recouverte entièrement ou partiellement. La différence essentielle par rapport aux solutions connues réside ainsi dans le fait que des tuyères d'admission formées de manière favorable à l'écoulement sont montées dans chaque tiroir rotatif en amont des ouvertures de sortie à arêtes vives. C'est lorsque les sections transversales de sortie sont entièrement ouvertes qu'elles sont les plus efficaces, lorsque les tuyères se trouvent concentriquement devant les ouvertures de sortie. On obtient toutefois de nettes améliorations même lorsque les sections transversales ne sont que partiellement ouvertes. L'utilisation essentiel- lement optimale des sections transversales d'écoule- ment permet des débits plus importants du statoréacteur et limite de plus les phénomènes de dépôt indésirables. Les surfaces de commande fermées nécessaires au recouvre- ment des ouvertures de sortie sont prévues sur chaque tiroir rotatif, au moins unilatéralement à côté de chaque tuyère d'admission. Selon des réalisations privilégiées: Dans un dispositif obturateur pour une chambre de précombustion d'un statoréacteur à propergol solide, comprenant 'quatre ouvertures de sortie dont les centres se trouvent dans le plan de sortie aux angles d'un - rectangle ou d'un carré imaginaire, il est à chaque fois associé à deux ouvertures de sortie voisines un tiroir rotatif qui présente deux tuyères d'admission et deux surfaces de commande et dont l'axe de rotation 1 se trouve au milieu entre les ouvertures de sortie auxquelles il est associé; - les tiroirs rotatifs sont munis dans la zone des surfaces de commande de tranchants en coin s'effilant vers les bords essentiellement radiaux des tiroirs rotatifs; - il est associé aux quatre ouvertures de sortie un tiroir rotatif en forme de disque circulaire qui présente quatre tuyères d'admission et dont l'axe de rotation se trouve au centre du rectangle ou du carré imaginaire formé par les ouvertures de sortie. Les deuxième et troisième réalisations citées ci-dessus sont particulièrement insensibles à des dépôts sur la paroi côté sortie de la chambre de combustion. Il convient à présent d'expliquer plus en détails l'invention à l'aide des dessins simplifiés, sur les- quels: La figure 1 représente une coupe de la chambre de précombustion d'un statoréacteur à propergol solide, 'la vue étant orientée sur un dispo- sitif obturateur avec deux tiroirs rotatifs, la figure 2 représente une coupe comparable à celle de la figure 1, la vue étant orientée sur un dispositif obturateur avec un tiroir rotatif, la figure 3 représente une coupe partielle agrandie selon la ligne III-III de la figure 1. Dans la pratique, il s'est révélé favorable d'alimenter en air sous pression dynamique la chambre de combustion principale de moteurs-fusées du type statoréacteur à pro- pergol solide par l'intermédiaire de quatre canaux répar- tis régulièrement sur le pourtour. Comme le montrent les figures 1 et 2, quatre tubes d'acheminement de gaz 5 ou ouvertures de sortie 4 disposés à égale distance les uns des autres sont par conséquent également prévus pour un bon mélange des gaz de combustion produits dans la chambre de précombustion 2 avec l'air sous pression dynamique. La figure 1 représente une réalisa- tion du dispositif obturateur 1 avec deux tiroirs rotatifs séparés 6. L'avantage réside dans le fait que les tiroirs rotatifs 6 sont petits et possèdent une masse et un moment d'inertie réduits, des déplace- ments rapides de réglage pouvant être obtenus avec de faibles puissances de commande. Au cas o les deux tiroirs rotatifs 6 sont équipés de dispositifs de com- mande indépendants l'un de l'autre, les risques de panne sont réduits. La figure représente la position dans la- quelle les sections transversales de sortie sont ouvertes au maximum, c'est-à-dire dans laquelle les tuyères d'ad- mission 8 arrondies de manière favorable à l'écoulement se trouvent concentriquement devant les ouvertures de sortie 4 à arêtes vives (voir également figure 3). Afin que les tiroirs rotatifs 6 puissent recouvrir les ouvertures de sortie 4 aussi bien partiellement qu'entièrement, des surfaces de commande 10 fermées sont disposées dans le sens des aiguilles d'une montre à côté des tuyères d'admission 8. Lorsque les ouvertures de sortie 4 sont entièrement recouvertes par les surfaces de commande 10, un échappement des gaz chauds riches en combustible de la chambre de précombustion 2 n'est pratiquement plus possible que par les petites fentes axiales (visibles sur la figure 3) entre les dos des tiroirs rotatifs 6 et le plan de sortie YZ. Du fait de la disposition des tuyères d'admission 8 et des surfaces de commande 10, on obtient des tiroirs rotatifs 6 qui ont une forme de double massue et dont les axes de rotation D se trouvent au centre. L'utilisation de deux tiroirs rotatifs 6 présente toutefois également 26 1 4650 1 un inconvénient. En effet, au cas o les dépôts de combustible sur la paroi côté sortie de la chambre de combustion 3 se développent jusque dans la zone de pivotement des tiroirs rotatifs 6, ces dépôts doivent être refoulés lors de mouvements de pivotement néces- sitant un moment important. Afin de réduire les moments éventuellement nécessaires, les tiroirs rotatifs 6 sont munis de tranchants en coin 12 dans la zone des surfaces de commande 10. Comme le montre la figure 3, ces tranchants en coin 12 sont obtenus en biseautant les surfaces frontales des tiroirs rotatifs tournées vers l'intérieur de la chambre de combustion. La figure 2 représente. une réalisation du dispositif obturateur 1, dans laquelle il n'est associé aux quatre ouvertures de sortie 4 qu'un seul tiroir rotatif 7 en forme de disque circulaire dont l'axe de rotation E se trouve au centre du carré imaginaire passant par les- centres des ouvertures de sortie 4. La figure représente une position du tiroir rotatif dans - laquelle les surfaces de commande ll recouvrent plus de la moitié des ouvertures de sortie 4, c'est-à-dire dans laquelle les tuyères d'admission 9 se trouvent certes sur le même cercle partiel que les ouvertures de sortie 4 mais ont toutes pivoté selon le même angle par rapport à l'axe de rotation E. Dans le tiroir rotatif 7, les surfaces de commande proprement dites 11 sont intégrées sans transition dans le disque circu- laire fermé et sont ainsi prévues de part et d'autre de chaque tuyère d'admission 9. Le tiroir rotatif 7 peut ainsi, à partir de la position d'ouverture maximale, pivoter au choix dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse. L'avantage principal de la réalisation en forme de disque circulaire réside 26 14650 1 dans le fait qu'aucun travail n'est nécessaire pour refouler les dép8ts de combustible sur la paroi de la chambre de combustion 3. Les forces et moments de cisaillement attendus sont nettement inférieurs aux moments de refoulement, de sorte que la réalisation selon la figure 2 est préférable en cas de fortes tendances au dép8t. Les améliorations visées par l'invention quant au comportement d'écoulement et de dép8t ont déjà été confirmées au cours d'essais. REVENDICATIONS 1 Dispositif obturateur destiné à commander le débit volumique de gaz chauds charges de particules sortant d'une enceinte, en particulier de gaz chauds riches en combustible sortant de la chambre de précombustion d'un statoréacteur à propergol solide, comprenant de préférence plusieurs ouvertures de sortie rondes à arêtes relativement vives, faisant saillie à l'intérieur de l'enceinte et se trouvant dans un plan de sortie commun, ainsi qu'au moins un tiroir rotatif qui est O10 disposé à une distance axiale réduite du plan de sortie et est mobile parallèlement à ce dernier et dont les surfaces de commande peuvent être amenées par pivotement devant les ouvertures de sortie correspondantes,. carac- térisé en ce que le tiroir rotatif (7) ou les tiroirs rotatifs (6) comportent, pour chaque ouverture de sortie (4), une tuyère d'admission (8, 9) arrondie de manière favorable à l'écoulement, qui peut être amenée par pivotement coaxialement devant l'ouverture de sortie (4) correspondante et dont la section transver- sale la plus étroite côté sortie est à peu près égale à celle de l'ouverture de sortie (4), et en ce que chaque tiroir rotatif (6, 7) présente en direction circonférentielle à côté de chaque tuyère d'admission (8, 9) au moins une surface de commande fermée (10, 11) par laquelle l'ouverture de sortie (4) correspondante peut être recouverte entièrement ou partiellement. 2. Dispositif obturateur selon la revendication 1, pour une chambre de précombustion d'un statoréacteur à propergol solide, comprenant quatre ouvertures de sortie dont les centres se trouvent dans le plan de sortie aux angles d'un rectangle ou d'un carré imaginai- Z614650 1 re, caractérisé en ce qu'à chaque fois à deux ouvertures de sortie (4) voisines est associé un tiroir rotatif (6) qui présente deux tuyères d'admission (8) et deux surfaces de commande (10) et dont l'axe de rotation (D) se trouve au milieu entre les ouvertures de sortie (4) auxquelles il est associé (Figure 1). 3. Dispositif obturateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tiroirs rotatifs (6) sont munis dans la zone des surfaces de commande (10) de tranchants en coin (12) s'effilant vers les bords essentiellement radiaux des tiroirs rotatifs (Figures 1, 3). 4. Dispositif obturateur pour une chambre de précombus- tion d'un statoréacteur à propergol solide, comprenant quatre ouvertures de sortie dont les centres se trouvent dans le plan de sortie aux angles d'un rectangle ou d'un carré imaginaire, caractérisé en ce qu'aux quatre ouvertures de sortie (4) est associé un tiroir rotatif (7) en forme de disque circulaire qui présente quatre tuyères d'admission (9) et dont l'axe de rotation (E) se trouve au centre du rectangle ou du carré imagi- naire formé par les ouvertures de sortie (4) (Figure 2).