Brevet FR2656378A1 — publié le 19910628

Paroi refroidie pour chambre de combustion ou tuyere de moteur fusée, moteur aérobie ou moteur combine La présente invention a pour objet une paroi refroidie pour chambre de combustion ou tuyère de moteur-fusée, moteur aérobie ou moteur combiné, comprenant un réseau de tubes métalliques constituant un circuit de refroidissement alimenté par un fluide caloporteur externe. On connait déjà des parois de chambre de combustion ou convergent-divergent de tuyère notamment de moteur-fusée, munies d'un réseau de tubes métalliques dans lesquels circule un fluide caloporteur externe pouvant être constitué par un des ergols, tel que l'hydrogène. De tels circuits de refroidissement sont notamment utilisés dans les cycles de moteur-fusée classiques du type expander mais peuvent aussi être utilisés dans le cas de mise en oeuvre de circuits hydrauliques auxiliaires essentiellement fermés parcourus par un fluide caloporteur auxiliaire distinct des flux principaux d'ergols d'alimentation du moteur et reliant une source froide telle qu'un échangeur situé sur un organe de stockage ou de transport d'ergol à une source chaude constituée par la chambre de combustion ou la tuyère du moteur-fusée. Dans les différents systèmes connus actuels de refroidissement de paroi, il est nécessaire de maintenir la température de paroi à des températures relativement faibles, par exemple de l'ordre de 6500 K, et le débit de fluide nécessaire au refroidissement de la paroi doit être important. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et de permettre la réalisation de parois de chambre de combustion ou de tuyère capables de supporter des températures plus élevées, par exemple de l'ordre de 20000K, tout en réduisant la puissance thermique du circuit régénératif. Ces buts sont atteints grâce à une paroi refroidie pour chambre de combustion ou tuyère de moteur-fusée, moteur aérobie ou moteur combiné, comprenant un réseau de tubes métalliques constituant un circuit de refroidissement alimenté par un fluide caloporteur externe, caractérisée en ce que le réseau de tubes métalliques est disposé entre une enveloppe externe assurant la tenue structurale de l'ensemble et une enveloppe interne exposée aux gaz chauds du moteur et assurant un rôle prépondérant de protection thermique, en ce que des nervures munies de perforations assurent le maintien entre les enveloppes interne et externe d'un écartement supérieur à la section des tubes métalliques de manière que ces derniers ne soient pas en contact direct avec ladite enveloppe interne et en ce qu'un corps, fluide en régime établi, à forte conductibilité thermique est disposé entre les enveloppes interne et externe à l'extérieur des tubes métalliques pour assurer le transfert thermique, essentiellement par conduction, entre l'enveloppe interne jouant le rôle de barrière thermique et les tubes du circuit de refroidissement. Selon une caractéristique particulière, l'espace libre compris entre les enveloppes interne et externe dans lequel circule ledit corps fluide à forte conductibilité thermique est en communication avec un vase d'expansion assurant la mise en pression dudit corps. Selon un mode particulier de réalisation, le corps conducteur est sous forme solide à température ambiante et des moyens de préchauffage sont associés à la paroi. Ces moyens de préchauffage peuvent être constitués par exemple par une mise en fonctionnement du moteur en un régime moteur "ralenti". Le corps conducteur interposé entre les enveloppes interne et externe et les tubes est constitué par l'un des matériaux suivants : sodium, potassium, lithium, mélange de sodium et de potassium. Avantageusement, l'enveloppe interne exposée aux gaz de combustion est réalisée en matériaux composites thermostructuraux ayant subi un traitement de finition de protection contre l'oxydation. A titre d'exemple, l'enveloppe interne est réalisée en matériau composite à matrice céramique de type oxyde, carbure ou nitrure. De préférence, l'enveloppe interne est réalisée en matériau composite revêtu sur sa face en contact avec le liquide caloporteur d'une couche supplémentaire de matériau améliorant son étanchéité et sa durée de vie en présence du fluide caloporteur. A titre d'exemple, ladite couche supplémentaire est constituée par un métal réfractaire tel que du tungstène. Diverses variantes de réalisation sont possibles. Ainsi, l'enveloppe externe peut être réalisée à l'aide d'un empilement de plusieurs couches de matériaux différents. Les nervures peuvent faire partie intégrante de l'une des enveloppes interne et externe. La face de l'enveloppe interne exposée aux gaz chauds peut supporter des températures de 2000 K si elle est réalisée par exemple en matériau composite thermostructural tel que le matériau connu sous le dénommination SepCarbinox. Cette forte température de paroi se traduit par une réduction importante du flux thermique incident et donc de la puissance thermique du circuit régénératif. Selon les cas, il est alors possible soit de réduire le débit d'ergol nécessaire au refroidissement de la chambre, dans le cas d'une application à un moteur combiné, soit de réduire la perte de charge subie par cet ergol dans le circuit régénératif dans le cas d'une application à un moteur-fusée. Le bilan global sur le propulseur complet est un gain d'impulsion spécifique vis-à-vis des solutions utilisant une paroi métallique limitée à une température plus faible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe de la section courante d'une paro refroidie à double enveloppe contenant un bain fluide conformément à l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un moteur-fusée classique à cycle à générateur de gaz séparé auquel est applicable l'invention, et - la figure 3 est une vue schématique d'un moteur aérobie muni d'un générateur de puissance en circuit fermé, auquel est également applicable l'invention. On décrira d'abord brièvement en référence à la figure 2 un exemple de moteur-fusée classique à cycle à générateur de gaz séparé auquel est notamment applicable l'invention. Un flux de combustible, tel que de l'hydrogène, stocké dans un réservoir non représenté, est pompé dans le réservoir à travers une canalisation 82 à l'aide d'une pompe 83 et conduit à travers une canalisation 84 vers le divergent 43 de la tuyère propulsive 40 du moteur-fusée pour circuler le long de la paroi 47 de la tuyère 40 dans un réseau de tubes constituant un circuit régénératif 85 qui abaisse la température des parois 47 du divergent 43, du col de tuyère 42 et de la chambre de combustion 41 en réchauffant l'ergol combustible qui est évacué du circuit régénératif 85 par une canalisation 86. Une partie des ergols pressurisés est brûlée dans un générateur de gaz 92 après avoir emprunté des canalisations 93 et 94 provenant des pompes 83 et 73 et traversé des injecteurs 95, 96 respectivement.Les gaz du générateur 92 alimentent, par des canalisations 97, 98 les turbines 87, 77 faisant partie des turbo-pompes permettant le pompage de l'ergol combustible par la pompe 83 et le pompage de l'ergol comburant par la pompe 73. Tout le débit de l'ergol combustible circulant dans la canalisation 86, est injecté par l'injecteur 45 dans la chambre de combustion 41. L'ergol comburant pompé dans le réservoir d'ergol non représenté est pompé à travers une canalisation 72 à l'aide de la pompe 73 et conduit à travers la canalisation 74 vers un injecteur 44 pour être injecté dans la chambre de combustion 41. De manière classique, le circuit 85 de refroidissement est constitué par un réseau de tubes métalliques rapportés sur une coque constituant la paroi de la chambre de combustion et de la tuyère du moteur-fusée, ou encore par une nappe de tubes de refroidissement juxtaposés, soudés ou brasés, et constituant directement au moins une partie du divergent de la tuyère. Dans chacun de ces cas, on ne peut pas obtenir une efficacité optimisée du système de refroidissement et, en particulier, l'ensemble du système doit être conçu de manière à ne pas donner lieu à des températures trop élevées du côté des parois en contact avec les gaz de combustion. La figure 3 montre un autre exemple de moteur auquel est applicable l'invention. Il s'agit d'un moteur combiné à turbo-propulseur. Un circuit hydraulique auxiliaire fermé 301 associé au turbo-propulseur relie un premier échangeur 303 coopérant avec un échangeur 373 parcouru par un ergol et situé entre des tronçons 372, 374 d'une canalisation de transport d'ergol en particulier de l'hydrogène, alimentant un injecteur 375, à un second échangeur 306 constitué par une zone de circulation de fluide de refroidissement le long d'une paroi 346 de chambre propulsive aérobie. Le circuit hydraulique auxiliaire fermé 301 peut servir à l'entraînement d'une turbine 307 d'entraînement d'une pompe 305 de recirculation de fluide caloporteur auxiliaire et d'au moins une turbine 377 d'entraînement d'un compresseur aérobie 379.Le circuit hydraulique auxiliaire fermé 301 contribue à assurer un transfert thermique et à maintenir la température du matériau de la chambre 341 à une valeur compatible avec sa tenue. Dans le cas du moteur combiné de la figure 3, ou d'un moteur combiné fonctionnant avec d'autres types de circuits de refroidissement, comme dans le cas du moteur-fusée de la figure 2, ou d'un moteur-fusée fonctionnant avec un autre type de circuit de refroidissement, par exemple un circuit hydraulique auxiliaire essentiellement fermé parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire distinct des flux principaux d'ergols d'alimentation du moteur, il est possible de réduire la quantité des échanges thermiques et d'accroître les performances, notamment en ce qui concerne l'impulsion spécifique, en mettant en oeuvre une paroi refroidie conforme à l'invention, comme cela va être maintenant décrit en référence à la figure 1.On notera en particulier que la mise en oeuvre d'une paroi refroidie conformément à l'invention permet, dans une application à un moteur-fusée à générateur de gaz séparé, comme dans l'exemple de la figure 2, de réduire les échanges thermiques dans le circuit de refroidissement 85 et donc la perte de charge subie par un ergol, tel que l'hydrogène, lors de son passage dans ce circuit. Avec une turbopompe 83, 87 inchangée, produisant une pression de sortie inchangée, la mise en oeuvre d'une paroi refroidie conforme à l'invention permet d'augmenter la pression de la chambre de combustion 41, au bénéfice de l'impulsion spécifique. La figure 1 représente la section courante d'une paroi 10 de chambre de combustion ou de partie convergente-divergente d'une tuyère, qui comprend une enveloppe interne 2 directement exposée aux gaz de combustion 3, et jouant un rôle de barrière thermique, et une enveloppe externe 4 ayant des propriétés structurales et assurant pour l'essentiel la tenue mécanique de l'ensemble à la pression règnant dans le foyer. L'enveloppe externe 4 peut être réalisée par empilement de plusieurs couches de matériaux différents. Un fluide de refroidissement 1 constitué par un fluide caloporteur externe ou par un ergol du propulseur lui-même tel que de l'hydrogène, circule dans des tubes métalliques 5 de faible diamètre à parois minces répartis de façon homogène entre les deux enveloppes 2 et 4. Ces tubes 5 sont reliés à leurs extrémités à des systèmes collecteurs et distributeurs classiques, de type tore par exemple. Ces tubes ou groupes de tubes 5 alternent avec des nervures 6 perforées assurant une liaison entre les deux enveloppes 2 et 4. Ces nervures 6 peuvent faire partie intégrante de l'une ou l'autre des enveloppes 2 et 4, par exemple l'enveloppe interne 2. Le volume libre délimité par les enveloppes interne 2 et externe 4, les tubes 5 et les nervures 6 est noyé dans un corps fluide 3 à forte conductibilité thermique assurant un transfert de chaleur, entre l'enveloppe interne chaude 2 et les tubes 5 du circuit de refroidissement, principalement par conduction. Ce corps fluide 3 peut être par exemple du sodium liquide, du potassium, du lithium ou encore un mélange de corps similaires tels que le sodium et le potassium. Les modes de liaison des nervures 6 aux enveloppes 2 et 4 peuvent être très divers. Dans le cas où les nervures 6 font partie intégrante par exemple de l'enveloppe interne 2, la liaison entre les nervures 6 et la coque externe 4 peut être un simple appui si la pression du fluide 7 à forte conductibilité thermique est plus faible que celle des gaz de combustion 3; ou une liaison de type brasure dans le cas contraire et si le dimensionnement en flambage l'impose. Les nervures 6 intercalées entre les tubes 5 ou des groupes de tubes 5 pour assurer une liaison entre les enveloppes interne 2 et externe 4 en ménageant entre ces enveloppes 2 et 4 un espace libre supérieur à la section des tubes 5, présentent des perforations 9 permettant la libre circulation du corps fluide conducteur 7. Le corps 7, fluide en régime établi, à forte conductibilité thermique, dans lequel baigne le réseau de tubes métalliques de faible section véhiculant le fluide caloporteur 1, est chargé d'assurer le transfert thermique, principalement par conduction, entre l'enveloppe interne 2 jouant le rôle de barrière thermique et les tubes 5 du circuit de refroidissement. Le corps fluide 7 peut être mis en pression par un système de vase d'expansion 8 qui prend en compte les variations de volume du fluide 7 et impose à ce dernier une valeur de pression optimisant la tenue mécanique ou l'étanchéité de l'ensemble. Ce vase d'expansion 8 peut également être utilisé pour les opérations de vidange et de remplissage éventuelles lors du démarrage du propulseur.Ainsi, lors de la mise en route, la paroi 10 à double enveloppe peut être dans l'état vidangé et le corps considéré 7 porté à la température requise pour être à l'état liquide inonde les espaces libres entre les enveloppes 2, 4, les tubes 5 et les nervures 6. Selon un autre mode de réalisation, le corps à forte conductibilité thermique est déjà présent sous forme solide à température ambiante à l'intérieur de la paroi 10 à double enveloppe. Dans ce cas, avant le début de fonctionnement du moteur à régime normal, un préchauffage, par exemple à régime moteur réduit, est nécessaire pour faire passer le corps 7 à l'état liquide et assurer un fonctionnement correct des transferts thermiques. L'avantage principal du type de structure selon l'invention est de permettre un découplage important des quatre fonctions suivantes : barrière thermique, tenue à la pression du foyer, tenue à la pression du refroidisseur tout en assurant un refroidissement correct de la paroi chaude quelles que soient les déformations des différents éléments, le corps fluide 7 maintenant en permanence un bon contact thermique. En utilisant un matériau adéquat, la face exposée aux gaz de combustion 3 peut être portée à haute température réduisant le flux thermique incident et donc la puissance du circuit de refroidissement régénératif.Cette diminution du besoin en refroidissement vis-à-vis d'un système dont la température de paroi de chambre de combustion est plus faible peut se traduire par un gain d'impulsion spécifique pour le propulseur, en particulier vis-à-vis du cas où le besoin en refroidissement entraînerait une consommation excessive de l'ergol refroidisseur (hydrogène) ou une perte de pression trop importante de ce débit d 'ergol refroidisseur. L'enveloppe interne 2 exposée aux gaz de combustion est avantageusement réalisée en matériaux composites thermostructuraux, en particulier à matrice céramique de type oxyde, carbure ou nitrure, tel que du carbure de silicium, ayant subi un traitement de finition destiné à la protéger de l'oxydation. De préférence, l'enveloppe interne 2 comprend sur sa face en contact avec le liquide caloporteur 7 un revêtement, par exemple en un métal réfractaire, tel que le tungstène,qui peut être déposé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou plasma, et qui est destiné à améliorerl'étanchéité et la durée de vie de l'enveloppe interne 2 en présence du fluide caloporteur 7. Ainsi, à titre d'exemple, avec un corps fluide 7 constitué par du sodium, l'enveloppe interne 2 peut être réalisée en matériaux composites connus sous la dénomination SepCarb-inox à texture connue sous le nom de Novoltex, ces matériaux composites étant protégés contre l'oxydation côté chambre de combustion et revêtus d'une couche fine de tungstène du côté du fluide caloporteur. L'enveloppe externe 4 peut elle-même être en acier inoxydable ou en alliage connu sous le nom d'inconel. Les tubes métalliques 5, qui peuvent être parcourus par exemple par de l'hydrogène, peuvent être également constitués en inconel. Les nervures 6 peuvent être réalisées en même matériau que l'enveloppe interne 2 et être obtenues par exemple par usinage d'une préforme épaisse. Diverses variantes de réalisation sont possibles. Ainsi, les tubes 5 peuvent être munis d'ailettes 11 qui améliorent leur efficacité thermique et le cas échéant peuvent servir de support, en des points localisés, par rapport aux enveloppes 2 et 4 ou aux nervures 6. L'ensemble de la chambre de combustion ou de la tuyère peut être réalisé en plusieurs sous-ensembles basés sur le type de section courante décrit ci-dessus et disposant d'une pressurisation propre du bain fluide 7. REVENDICATIONS 1. Paroi refroidie pour chambre de combustion ou tuyère de moteur-fusée, moteur aérobie ou moteur combiné, comprenant un réseau de tubes métalliques (5) constituant un circuit de refroidissement alimenté par un fluide caloporteur externe (1), caractérisée en ce que le réseau de tubes métalliques (5) est disposé entre une enveloppe externe (4) assurant la tenue structurale de l'ensemble et une enveloppe interne (2) exposée aux gaz chauds (3) du moteur et assurant un rôle prépondérant de protection thermique, en ce que des nervures (6) munies de perforations (9) assurent le maintien entre les enveloppes interne (2) et externe (4) d'un écartement supérieur à la section des tubes métalliques (5) de manière que ces derniers ne soient pas en contact direct avec ladite enveloppe interne (2) et en ce qu'un corps (7), fluide en régime établi, à forte conductibilité thermique est disposé entre les enveloppes interne (2) et externe (4) à l'extérieur des tubes métalliques (5) pour assurer le transfert thermique, essentiellement par conduction, entre l'enveloppe interne (2) jouant le rôle de barrière thermique et les tubes (5) du circuit de refroidissement. 2. Paroi refroidie selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'espace libre compris entre les enveloppes interne (2) et externe (4) dans lequel circule ledit corps fluide (7) à forte conductibilité thermique est en communication avec un vase d'expansion (8) assurant la mise en pression dudit corps. 3. Paroi refroidie selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps conducteur (7) est sous forme solide à température ambiante et des moyens de préchauffage sont associés à la paroi (10). 4. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le corps conducteur (7) interposé entre les enveloppes interne (2) et externe (4) et les tubes (5) est constitué par l'un des matériaux suivants : sodium, potassium, lithium, mélange de sodium et de potassium. 5. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'enveloppe interne (2) exposée aux gaz de combustion est réalisée en matériaux composites thermostructuraux ayant subi un traitement de finition de protection contre l'oxydation. 6. Paroi refroidie selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'enveloppe interne (2) est réalisée en matériau composite à matrice céramique de type oxyde, carbure ou nitrure. 7. Paroi refroidie selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que l'enveloppe interne (2) est réalisée en matériau composite revêtu sur sa face en contact avec le liquide caloporteur (7) d'une couche supplémentaire de matériau améliorant son étanchéité et sa durée de vie en présence du fluide caloporteur (7). 8. Paroi refroidie selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite couche supplémentaire est constituée par un métal réfractaire tel que du tungstène. 9. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'enveloppe externe (4) est réalisée à l'aide d'un empilement de plusieurs couches de matériaux différents. 10. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les nervures (6) font partie intégrante de l'une des enveloppes interne (2) et externe (4). 11. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les tubes métalliques (5) sont munis d'ailettes (11) améliorant leur efficacité thermique et pouvant le cas échéant être en contact ponctuel avec les enveloppes interne (2) ou externe (4) ou les nervures (6). 12. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1à 11, caractérisée en ce que l'enveloppe externe (4) est réalisée en acier inoxydable ou en alliage inconel. 13. Paroi refroidie selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les tubes métalliques (5) de faible diamètre, à paroi mince sont répartis de façon homogène entre les deux enveloppes (2, 4) et sont reliés à leurs extrémités à des systèmes collecteurs et distributeurs assurant également le positionnement relatif des différents tubes (5).