Brevet FR2635826A1 — publié le 19900302

Procédé d'alimentation en combustible d'un turbo- statoréacteur et turbo-statoréacteur pour la mise en oeuvre du procédé ". La présente invention concerne un procédé d'alimentation de combustible d'un turbo-statoréacteur intégré d'un aéronef hypersonique comportant une chambre de combustion combinée qui fonctionne comme chambre de postcombustion du turboréacteur et comme chambre de combustion du statoréacteur, de l'hydrogène liquide servant à refroidir une paroi de la chambre de combustion avant d'être injecté. L'invention concerne également un turbo-statoréacteur pour la mise en oeuvre de ce procédé. Il existe des tendances pour développer des aéronefs hypersoniques susceptibles de décoller et d'atterrir sur des aéroports habituels et de voler à des vitesses de croisière de plusieurs mach. De tels avions ou aéronefs hypersoniques peuvent être utilisés soit comme avions de transport à longue distance, rapides, soit encore comme navettes spatiales à décollage normal. Les nombre de mach que l'on peut atteindre se situent entre 4 et 8 mach à des altitudes de vol de l'ordre de 30 km. Le carburant le plus avantageux pour les moteurs de tels avions hypersoniques est l'hydrogène, car par rapport aux autres carburants connus, il offre un certain nombre d'avantages. Ainsi, par rapport aux autres carburants ou combustibles, pour une consommation prédéterminée d'énergie, par mission, il correspond à la masse de carburant à transporter la plus faible, ce qui se répercute de la manière la plus avantageuse sur le poids au décollage. La capacité de refroidissement de l'hydrogène liquide rapporté à la même énergie est beaucoup plus important par exemple que celui du kérosène, ce qui se traduit par des avantages importants pour refroidir le moteur et la cellule de l'aéronef. Enfin, l'hydrogène permet d'utiliser une chambre de post-combustion ou une chambre de combustion pour le statoréacteur, beaucoup plus courte que pour d'autres carburants, ce qui se traduit par des moteurs plus courts et un poids d'autant plus faible ainsi qu'une surface à refroidir plus réduite. En outre, grâce à la vitesse de réaction plus grande de l'hydrogène, on réalise une plus grande stabilité de la phase de combustion dans la chambre de combustion. Par contre, l'inconvénient est que pour une consommation déterminée d'énergie pour une mission, le stockage de l'hydrogène liquide demande beaucoup plus de volume que tout autre carburant liquide et en outre la réalisation du réservoir d'hydrogène ainsi que son isolation et le cas échéant son refroidissement entraînent du poids et du volume supplémentaires. Ces inconvénients deviennent de plus en plus négligeables par rapport aux avantages à mesure que la taille des avions augmente, si bien que dans un tel cas, la combustion avec de l'hydrogène liquide constitue la solution la plus avantageuse. Par ailleurs, même pour un poids au décollage relativement faible ou un encombrement relativement réduit de l'aéronef hypersonique, le concept d'entraînement décrit, présente des problèmes à cause des inconvénients cités ci-dessus. Un autre inconvénient est qu'aux faibles vitesses de vol, la capacité de refroidissement de l'hydrogène liquéfié ne peut être utilisé efficacement, or par ailleurs il faut vaporiser l'hydrogène et le réchauffer avant la combustion. Partant de ces considérations, la présente invention a pour but de développer un procédé du type ci-dessus, permettant d'assurer une propulsion effective même pour des aéronefs hypersoniques de petites dimensions et d'arriver à une grande stabilité de la combustion en transportant une quantité de combustible aussi réduite que possible. De plus, les dimensions de la chambre de combustion en particulier sa longueur, doivent être aussi réduites que possible. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'on injecte simultanément du kérosène et de l'hydrogène dans la chambre de combustion et dans la plage des nombres de mach inférieurs, la combustion dans la chambre de combustion se fait principalement avec du kérosène et dans l'ensemble de la plage des nombres de mach, on ajoute au moins suffisamment d'hydrogène pour d'une part refroidir suffisamment la paroi de la chambre de combustion et obtenir d'autre part une température suffisamment élevée de la chambre de combustion pour une combustion économique du kérosène, et à mesure que le nombre de mach augmente, on déplace le rapport d'alimentation kérosène/hydrogène, en continu vers l'hydrogène. Le procédé selon l'invention englobe une alimentation simultanée de kérosène et d'hydrogène pour le fonctionnement de la chambre de combustion. La chambre de combustion joue à la fois le rôle d'une chambre de post- combustion lorsque le moteur fonctionne comme turboréacteur et d'autre part elle fonctionne comme chambre de combustion du statoréacteur lorsque le moteur fonctionne en statoréacteur. De cette manière, en fonction du nombre de mach, on réalise un rapport optimum entre le kérosène et l'hydrogène. Aux faibles nombres de mach, en-dessous de mach 4, les températures d'injection dans la chambre de combustion sont de l'ordre de 500- 900RK, de sorte qu'il n'est pas trop nécessaire à ce moment là de refroidir la paroi de la chambre de combustion avec de l'hydrogène. Dans cette plage de nombres de mach, on injecte principalement du kérosène comme carburant, ce qui permet de réduire au minimum la masse d'hydrogène liquide à transporter. Cela permet de réduire les dispositifs de stockage de l'hydrogène liquide notamment dans le cas de petits avions. En outre, il en résulte de manière avantageuse que d'une part à chaque point de fonctionnement, on réalise un refroidissement suffisant de la paroi de la chambre de combustion sans que par ailleurs cela ne nécessite des moyens de refroidissement supplémentaires demandant beaucoup d'énergie. De plus, grâce à l'alimentation en hydrogène, on augmente la température de combustion permettant une combustion économique du kérosène. Dans la plage des nombres de mach inférieurs à 4, c'est-à-dire dans la phase suivant le décollage et pendant la montée, on arrive à une meilleure combustion du kérosène tout en permettant de réduire au minimum la masse d'hydrogène à emporter. De plus à chaque état de fonctionnement, on utilise complètement la capacité de refroidissement de l'hydrogène liquide utilisé comme puits de chaleur. Un avantage important du procédé de l'invention réside en outre dans le fait qu'ainsi le turbo-statoréacteur utilise pour toute la plage de vol entre le décollage jusqu'au nombre de mach limite une chambre de combustion. Pendant la marche en turboréacteur, la chambre de combustion constitue la chambre de post-combustion alors qu'après passage en fonctionnement de statoréacteur, cette chambre constitue la chambre de combustion du statoréacteur. Selon un développement avantageux de l'invention, à partir d'une certaine vitesse de vol limite, on n'utilise plus que de l'hydrogène pour la combustion. Selon la conception du moteur, cette température se situe dans la plage de quelques mach. Pour les nombres de mach plus élevés, la quantité d'hydrogène liquide nécessaire pour refroidir la paroi de la chambre de combustion est égale à la quantité d'hydrogène sous forme de gaz et préchauffé, nécessaire pour faire fonctionner le statoréacteur. Cela permet d'utiliser de manière optimale la capacité calorifique de l'hydrogène liquéfié. De manière préférentielle, on choisit le nombre de mach limite à partir duquel on injecte uniquement de l'hydrogène pour que la température d'entrée de l'air qui pénètre dans la chambre de combustion se situe encore en-dessous de la température d'auto-allumage du kérosène. On évite ainsi aux nombres de mach plus élevés et aux températures d'entrée plus élevées, que le kérosène ne soit enflammé prématurément et ainsi d'endommager le moteur. Le refroidissement de la paroi de la chambre de combustion se fait, comme cela est connu pour les buses de réacteur, en utilisant la capacité calorifique de l'hydrogène liquide. L'hydrogène liquide qui alimente les orifices d'injection arrière est vaporisé par la chaleur prise à la paroi de la chambre de combustion selon un échange à contre- courant, pour être réchauffé à température favorable. Le refroidissement de la paroi de la chambre de combustion peut se faire simplement par convection comme le refroidissement des buses de poussée des moteurs de fusée. D'autres avantages importants de l'invention résident dans le fait que la combustion de l'hydrogène élève la température de l'air dans la chambre de combustion, ce qui accélère considérablement la combustion du kérosène. Ainsi, malgré l'utilisation du kérosène, il est possible d'avoir une chambre de combustion courte semblabe à celle correspondant à l'utilisation de l'hydrogène seul. En même temps cela améliore la stabilité de la combustion du kérosène et cela réduit ainsi le risque de mise en oscillation du brûleur (vrombissement, sifflement) par rapport à une combustion n'utilisant que du kérosène. De manière préférentielle, les orifices d'injection avant pour le kérosène sont intégrés aux bords de fuite ou arêtes arrière des nervures d'appui radiales de forme aérodynamique. Ces nervures d'appui servent à tenir le moteur central et sont ainsi nécessaires pour des raisons de construction. Comme les nervures d'appui doivent toujours être refroidies, les conduites servant à l'injection sont intégrées dans le système de refroidissement des nervures d'appui. Après l'arrêt de l'injection du kérosène au nombre de mach supérieur, il faut purger les conduites débouchant dans les orifices d'injection pour éviter le "cracking" des résidus de kérosène. Selon un autre développement avantageux de l'invention, les orifices d'injection arrière servant à l'hydrogène sont des accroche-flammes à section en forme de V. De tels accroche-flammes créent des zones de retour de flux et permettent ainsi un bon mélange par tourbillonnement et une combustion efficace du carburant. Les orifices d'injection peuvent ainsi être prévus soit dans les bords de fuite des accroche- flammes et/ou en avant (en amont) des arêtes arrière ou bords de fuite. Dans cette dernière disposition, l'hydrogène joue le rôle d'un film de refroidissement pour les accroche-flammes. Cela permet en outre d'arriver à une répartition plus régulière de l'hydrogène. Un développement avantageux de l'invention prévoit d'aligner radialement les accrocheflammes et de les répartir régulièrement à la périphérie de la chambre de combustion. Cela permet un montage constructif simple de l'alimentation en hydrogène. En variante, les accroche-flammes s'étendent dans la direction périphérique et forment ainsi une couronne d'accroche-flammes fermée. Ces deux réalisations, dont le principe est connu en soi, permettent deréaliser de manière avantageuse une répartition régulière du carburant ou combustible en particulier du kérosène dans la chambre de combustion, ce qui se traduit par une courte longueur de mélange. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un turbo-statoréacteur. - la figure 2 est une coupe longitudinale selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 1 est une coupe longitudinale partielle schématique d'un turbostatoréacteur 1 qui se compose principalement d'un turboréacteur à gaz 2 et d'un statoréacteur 3. Le turboréacteur à gaz 2 comprend trois arbres concentriques 4a, 4b, 4c portant chacun d'un côté des aubages de compresseur 5a, 5b, 5c et de l'autre côté des étages de turbine 6a, 6b, 6c. Les groupes d'aubes de compresseur 5a et 5b tournent autour d'un axe radial pour qu'en fonctionnement en statoréacteur, ils laissent pratiquement passer sans constituer d'obstacle, l'air qui arrive et n'engendrent aucun travail. De ce fait l'arbre basse pression 4a et l'arbre de moyenne pression 4b ne tournent pratiquement plus lorsque le moteur fonctionne en statoréacteur. Le turboréacteur à gaz 2 est essentiellement réalisé sous la forme d'un turboréacteur à deux circuits; cela signifie qu'une partie de l'air qui arrive dans le canal d'entrée 7 est dirigée sur l'entrée 8 du moteur central et arrive de là en passant par le compresseur haute pression 5c dans la chambre de combustion de la turbine à gaz 9. Après passage des trois étages de turbine 6a, 6b, 6c, les gaz de combustion chauds arrivent par le cône 10 dans la chambre de combustion 11 en aval qui assure la post-combustion. La chambre de combustion 11 est munie d'une buse de poussée 13 réglable le long de son orifice de sortie de gaz 12. Une partie de l'air qui pénètre dans le canal d'entrée 7 arrive dans le canal de-dérivation 14 et est mélangée en aval du cône 10 avec la veine de gaz chauds qui s'écoule à l'intérieur du cône 10 dans la chambre de combustion 11. Le turboréacteur à gaz 2 est suspendu par une rangée avant et une rangée arrière de nervures d'appui 15a et 15b réparties de manière périphérique, dans le carter 16 du moteur. Les nervures d'appui arrières 15b présentent le long de leur bord de fuite 17 une série d'orifices d'injection avant 18 par lesquels on injecte du kérosène fourni par la conduite 19 dans le canal de dérivation 14. En aval des nervures d'appui arrière 15b, on a un certain nombre d'accroche-flammes 20 répartis à la périphérie et qui sont alignés sur les nervures d'appui 15b dans la direction axiale. Les accroche- flammes 20 comportent des orifices d'injection arrière 22 le long de leurs bords de fuite 21, orifices par lesquels on injecte de l'hydrogène gazeux (GH2) dans la chambre de combustion 11. La paroi 23 de la chambre de combustion est entourée extérieurement de canaux de refroidissement 24 hélicoïdaux. Ces canaux servent à fournir l'hydrogène liquide amené par la conduite d'alimentation 25 (LH2); cet hydrogène s'écoule par les canaux de refroidissement 24 pour arriver aux orifices d'injection 22 des accroche-flammes 20. L'hydrogène liquide se réchauffe en passant à travers les canaux de refroidissement 24, tout en refroidissant la paroi 23 de la chambre de combustion pour qu'au moment o l'hydrogène atteint les orifices d'injection arrière 22, il soit à l'état gazeux et soit préchauffé à une température propice. A partir d'un nombre de mach, déterminé, le turbo-statoréacteur i passe en fonctionnement de statoréacteur, ce qui signifie que le turboréacteur à gaz 2 est coupé. Pour cela, on fait passer un tiroir annulaire 26 qui, pour le fonctionnement en turboréacteur occupe la position représentée, jusque dans la position 26' indiquée en traits interrompus. L'ensemble de la veine d'air qui pénètre dans le canal d'entrée 7 passe alors par le canal de dérivation 14 pour être dirigé dans la chambre de combustion 11. Le turboréacteur à gaz 2 est fermé côté sortie par un cône de buse 27 coulissant axialement; dans le fonctionnement en statoréacteur, le cône occupe la position 27' représentée en traits interrompus. En même temps, les aubes de compresseur 5a, 5b (aubes de propulsion) passent en position de flottement; cela signifie qu'on les fait pivoter respectivement autour de leur axe radial pour que la veine d'air qui arrive puisse passer pratiquement sans être gênée. La figure 2 montre une coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1 au niveau d'une nervure d'appui arrière 15b et d'un accrocheflammes 20. On voit que la nervure d'appui 15b présente un profil aérodynamique alors que l'accroche-flammes 20 a une forme de section en V. Le long des deux bords de fuite 21 de chaque accroche-flammes 20 se trouvent les orifices d'injection arrière 22 pour l'hydrogène H2. En outre, l'accroche-flammes 20 et la nervure d'appui b sont alignés axialement. L'injection de kérosène se fait par les orifices 18 du bord de fuite 17 de la nervure d'appui 15b. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés. Le montage et le procédé sont transposables exactement à un turbomoteur à un circuit avec un canal de dérivation et un clapet de dérivation pour le fonctionnement en statoréacteur ou des réalisations analogues. REVENDICATIONS 1') Procédé d'alimentation en combustible d'un turbo-statoréacteur intégré pour un aéronef hypersonique, comportant une chambre de combustion combinée fonctionnant à la fois comme chambre de post- combustion du turboréacteur et comme chambre de combustion du statoréacteur, de l'hydrogène liquide étant utilisé pour refroidir une paroi de la chambre de combustion avant d'être injecté, caractérisé en ce qu'on injecte simultanément du kérosène et de l'hydrogène dans la chambre de combustion (11) et dans la plage des nombres de mach inférieurs, la combustion dans la chambre de combustion (11) se fait principalement avec du kérosène et dans l'ensemble de la plage des nombres de mach, on ajoute au moins suffisamment d'hydrogène pour d'une part refroidir suffisamment la paroi (23) de la chambre de combustion et obtenir d'autre part une température suffisamment élevée de la chambre de combustion pour une combustion économique du kérosène, et à mesure que le nombre de mach augmente, on déplace le rapport d'alimentation kérosène/hydrogène, en continu vers l'hydrogène. 2*) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à partir d'un nombre de mach limite, on n'utilise plus que de l'hydrogène pour la combustion. 3') Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on choisit le nombre de mach limite pour que la température d'entrée de l'air arrivant dans la chambre de combustion (11) se situe juste en- dessous de la température d'auto-allumage du kérosène. 4') Turbo- statoréacteur intégré pour un aéronef hypersonique, qui fonctionne en turboréacteur dans la plage inférieure des nombres de mach et comme statoréacteur dans la plage supérieure des nombres de mach, caractérisé par une chambre de combustion (11) qui fonctionne co:mme chambre de post- combustion lorsque le réacteur est en turboréacteur et qui fonctionne comme chambre de combustion de statoréacteur lorsque le réacteur fonctionne comme statoréacteur, et dont la zone d'entrée comporte des orifices d'injection avant (18) pour assurer l'alimentation de kérosène et en aval des orifices d'injection arrière (22) pour fournir l'hydrogène. ') Turbo-statoréacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les orifices d'injection avant et arrière (18, 22) sont alignés dans la direction de l'écoulement. 6') Turbo-statoréacteur selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les orifices d'injection avant (18) pour le kérosène sont prévus dans le bord de fuite (17) des nervures d'appui (15b) radiales, de forme aérodynamique. 7) Turbo-statoréacteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les orifices d'injection arrière (22) de l'hydrogène sont des accroche-flammes (20) à section en forme de V. 8') Turbo-statoréacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les orifices d'injection arrière (22) sont prévus au niveau des bords de fuite (21) des accroche-flammes (20). 9g) Turbo-statoréacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les orifices d'injection arrière (22) sont prévus en amont des bords de fuite (21) des accroche-flammes (20). ') Turbo-statoréacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les accroche- flammes (20) sont alignés radialement et sont répartis en étoile dans la direction périphérique.