Brevet FR2664648A1 — publié le 19920117

Cette invention se rapporte à la réduction au minimum des effets de la formation de glace dans les admissions des propulseurs aérospatiaux et a particulièrement trait aux admissions adaptées au type de propulseur aérospatial divulgué dans la demande de brevet britannique 84-30157. Certains propulseurs aérospatiaux, par exemple ceux du type général décrit dans la demande de brevet britannique 84-30157, repose pour leur fonctionnement efficace sur la disposition d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur dans leurs admissions Les échangeurs de chaleur sont adaptés à permettre l'échange de chaleur entre de rhydrogène liquide qui est utilisé comme carburant du propulseur, et rair qui s'écoule en fonctionnement à travers la conduite. Il est inévitable que l'air ambiant entrant dans radmission du propulseur aérospatial contienne de la vapeur d'eau Cette vapeur d'eau est soumise à un abaissement rapide de température à l'intérieur des échangeurs de chaleur de sorte qu'elle gèle et provoque le dépôt de glace sur les matrices des échangeurs de chaleur. Si le dépôt de glace est autorisé à se poursuivre, il arrive vite un moment o lair ne peut plus passer en quantité suffisante à travers la matrice de léchangeur de chaleur pour satisfaire les besoins en air du propulseur. La présente invention a pour objet de fournir une admission d'air adaptée à un propulseur aérospatial et dans laquelle les effets de la formation de glace sont minimisés. Conformément à la présente invention, une admission d'air adaptée à diriger un écoulement d'air vers un propulseur aérospatial comprend deux ou plus échangeurs de chaleur disposés en parallèle de façon à permettre un échange de chaleur entre tout ledit écoulement d'air ainsi dirigé et un fluide cryogénique, des moyens de direction de récoulement d'air et des moyens de direction du fluide cryogénique étant associés auxdits échangeurs de chaleur, lesdits moyens de direction de l'écoulement d'air étant disposés de façon à assurer que chacun desdits échangeurs de chaleur est exposé alternativement à lécoulement d'air dirigé vers ledit propulseur et à un écoulement d'air qui n'est pas dirigé vers ledit propulseur et que ledit propulseur reçoit un écoulement d'air continu qui a échangé de la chaleur avec ledit fluide cryogénique, lesdits moyens de direction du fluide cryogénique étant disposés de sorte que ledit fluide cryogénique s'écoule uniquement dans un échangeur de chaleur exposé audit écoulement d'air qui est dirigé vers le propulseur. L'invention va à présent être décrite au moyen d'un exemple en regard du dessin joint qui est une coupe schématique d'une admission d'air vue de côté conformément à la présente invention. D'après le dessin, une admission d'air portant la référence générale 10 est adaptée à être utilisée avec un propulseur aérospatial du type de celui décrit dans la demande de brevet britannique 84-30157 L'admission 10 comprend une conduite 11 ayant une extrémité amont 12 o se trouve une entrée 13 d'air, et une extrémité aval 14 qui délivre lécoulement d'air à travers l'admission à un propulseur aérospatial (non représenté). A peu près à mi-longueur de la conduite 11, se trouve un brise-jet 15 qui sert à diviser la portion centrale de la conduite 11 en deux passages 16 et 17 d'égale section. Les passages 16 et 17 contiennent, en parallèle, un premier et un second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 respectivement Ceux-ci sont en fonctionnement alimentés en hydrogène liquide Ils permettent que cet hydrogène liquide échange de la chaleur avec rair passant à travers la conduite 11. La conduite 11 et le brise-jet 15 central sont munis de plusieurs volets servant à contrôler récoulement d'air à travers la conduite 11 De façon plus précise, un premier volet 20 est lié pivotant à lextrémité amont du brise-jet 15 central Le volet 20 est suffisamment long pour autoriser la fermeture partielle de la conduite 11 de sorte que rair ambiant pénétrant dans la conduite 11 par rentrée 13 d'air passe à travers un des échangeurs de chaleur primaires 18 et 19, mais pas à travers rautre Ainsi, sur le dessin, le volet 20 est montré dans une position telle que l'air ambiant s'écoule à travers le premier échangeur de chaleur primaire 18 Si le volet 20 pivote le long de l'arc représenté par les pointillés 22, lécoulement d'air ambiant est alors naturellement arrêté en direction du premier échangeur de chaleur 18 et lécoulement est dévié à travers le second échangeur de chaleur primaire 19. L'écoulement d'air ambiant, après avoir passé à travers le premier échangeur de chaleur primaire 18, continue à s'écouler dans la conduite 1 î 1 à travers un échangeur de chaleur secondaire 23 Là, il échange à nouveau sa chaleur avec de l'hydrogène liquide avant d'être dirigé dans rentrée d'air du propulseur aérospatial (non représenté). L'échangeur de chaleur secondaire 23 est alimenté en hydrogène liquide par un tube d'entrée 24 L'hydrogène liquide, après avoir échangé sa chaleur avec l'écoulement d'air à travers la conduite 11, est évacué de l'échangeur de chaleur secondaire 23 par un tube de sortie 25 Le tube de sortie 25 dirige ensuite lhydrogène liquide vers une vanne 26 qui sert à diriger lhydrogène liquide soit vers le premier échangeur de chaleur primaire 18 par un tube 27, soit vers le second échangeur de chaleur primaire 19 par un tube 28. La vanne 26 est régulée (par des moyens non représentés) de sorte que l'hydrogène liquide évacué de léchangeur de chaleur secondaire 23 s'écoule uniquement à travers le premier ou le second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 qui est exposé, selon la position du volet 20, à lécoulement d'air ambiant étant entré dans la conduite 11 par l'entrée 13 d'air L'hydrogène liquide est évacué des premier et second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 par les tubes 35 et 36 respectivement. La conduite 11 est munie de deux volets 29 et 30 dans sa paroi proche du volet 20 du brise-jet central Les volets 29 et 30, lorsqu'ils sont ouverts, mettent en communication rintérieur de la conduite 11 et un passage 31 radialement extérieur défini entre lextrémité amont 12 de la conduite 11 et un capot 32 Le passage 31 extérieur présente une entrée 33 située dans le même plan que rentrée 13 de la conduite ainsi qu'une sortie 34 située dans la zone des premier et second échangeurs de chaleur primaires. Les volets 29 et 30 sont contrôlés de sorte que, quand lécoulement d'air ambiant provenant de rentrée 13 d'air est dirigé par le volet 20 vers un des échangeurs de chaleur primaires 18 et 19, le volet concerné parmi les volets 29 et 30 est ouvert pour permettre un écoulement d'air depuis le passage 31 extérieur vers l'autre des échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 C'est pourquoi, dans la situation représentée sur le dessin, le volet 30 est fermé et le volet 29 est ouvert Comme cela est exposé ci- dessus, il en résulte un écoulement de rair provenant de rentrée 13 vers le premier échangeur de chaleur primaire 18 et un écoulement de rair provenant de l'entrée 33 (et du passage 31) vers le second échangeur de chaleur primaire 19. Afin d'éviter à l'air qui a été dérivé par le passage 31 extérieur, de s'écouler vers l'échangeur de chaleur 23 secondaire jusque dans le propulseur aérospatial, une seconde série de volets déflecteurs est prévue à raval du brise-jet 15 central Plus précisément, un seul volet 21 est prévu à rextrémité aval du brise-jet 15 central et deux autres volets 37 et 38 sont prévus dans la paroi de la conduite 11 voisine du volet 21 à raval du brise-jet Les volets 21, 37 et 38 sont contrôlés de sorte que l'écoulement d'air dérivé de rentrée 13 de la conduite 11 passe à travers léchangeur de chaleur secondaire 23 tandis que lécoulement d'air dérivé par le passage 31 annulaire est évacué de la conduite 11 Si l'on se réfère à nouveau à la situation montrée sur le dessin, le volet 37 de la conduite est fermé pour permettre à rair évacué par le premier échangeur de chaleur primaire 18 ( provenant de l'entrée 13) de passer à travers léchangeur de chaleur secondaire Le volet 38 de la conduite est cependant ouvert et le volet 21 aval du brise-jet est placé de façon à autoriser à son tour lévacuation hors de la conduite 11 du second échangeur de chaleur primaire 19 (provenant du passage 31). Lorsque les différents volets 20, 21, 29, 30, 37 et 38 sont dans les positions montrées sur le dessin et lorsque la vanne 26 est positionnée de telle sorte que l'hydrogène liquide évacué par léchangeur de chaleur secondaire 23 passe à travers le premier échangeur de chaleur primaire 18, la totalité de l'alimentation en air du propulseur aérospatial passera naturellement à travers le premier échangeur de chaleur primaire 18 L'alimentation en air contiendra de la vapeur d'eau et les basses températures à rintérieur du premier échangeur de chaleur primaire amèneront en pratique toute la vapeur d'eau à se condenser au sein du premier échangeur de chaleur primaire 18 et à geler C'est pourquoi de la glace se forme progressivement à l'intérieur de réchangeur de chaleur 18 Elle conduira à son tour à l'obstruer éventuellement. Toutefois, avant que robstruction totale ne soit atteinte (telle que déterminée par un détecteur convenable), tous les volets 20, 21, 29, 30, 38 et 39 sont pivotés selon les arcs représentés par des pointillés sur le dessin En outre, la vanne 26 est commutée de sorte que de lhydrogène liquide est envoyé au second échangeur de chaleur primaire 19 au lieu du premier échangeur de chaleur primaire 18 L'écoulement d'air vers léchangeur de chaleur secondaire 23 et donc le propulseur aérospatial est ensuite dirigé vers le second échangeur de chaleur primaire 19 à rintérieur duquel il n'y a pas de dépôt de glace puisque de l'hydrogène liquide ne s'y est pas écoulé Dans l'intervalle, lair provenant du passage 31 est dirigé vers le premier échangeur de chaleur primaire 19, puis évacué hors de la conduite 11 Puisque, jusque là, le flux d'hydrogène liquide dans le premier échangeur de chaleur primaire 18 n'a pas été arrêté par la vanne 26, lécoulement d'air à travers le premier échangeur de chaleur primaire 18 provoque une augmentation rapide de la température à lintérieur de réchangeur de chaleur 18 Il s'ensuit une fonte rapide de la glace à l'intérieur de réchangeur de chaleur 18 et l'eau ainsi récupérée est évacuée hors de la conduite 11 grâce à louverture du volet 37 et ainsi n'entre pas dans léchangeur de chaleur secondaire 23. Tandis que la glace est en train de fondre à rintérieur du premier échangeur de chaleur primaire 18, de la glace se forme naturellement au sein du second échangeur de chaleur primaire 19 Lorsque la quantité de glace y atteint un niveau critique par rapport au débit d'air à travers le second échangeur de chaleur primaire 19, les volets 20, 21, 29, 30, 37 et 38, en même temps que la vanne 26, sont actionnés à nouveau et le processus de fonte et de dépôt de la glace se répète Le cycle est recommencé de façon continue de sorte que le propulseur aérospatial est continuellement alimenté en air ayant passé au travers et ayant été refroidi par soit le premier, soit le second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 ainsi que réchangeur de chaleur secondaire 23. Les premier et second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 servent à condenser et à geler pratiquement toute la vapeur d'eau dans rair qui passe finalement à travers léchangeur de chaleur secondaire 23 et au sein du propulseur aérospatial. Ainsi l'écoulement d'air qui atteint léchangeur de chaleur secondaire 23 et passe au travers de lui, est sec et donc élimine toute possibilité de dépôt significatif de glace se produisant au sein de réchangeur de chaleur secondaire 23. Le propulseur décrit et revendiqué dans la demande de brevet britannique 84-301 57 comprend un compresseur basse pression qui reçoit de rair via deux échangeurs de chaleur disposés en série Les deux échangeurs de chaleur reçoivent un réfrigérant sous la forme d'hydrogène liquide haute pression. Les écoulements de réfrigérant sont utilisés pour refroidir rentrée d'air du compresseur basse pression jusqu'à une température qui est appropriée au fonctionnement efficace du propulseur Dans le cas de rapplication de la présente invention à un tel propulseur, les premier et second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 constituent alternativement le premier des échangeurs de chaleur du propulseur et léchangeur de chaleur secondaire 23 constitue le second échangeur de chaleur du propulseur. Bien que les premier et second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 aient été décrits en admettant qu'ils sont alimentés avec de l'hydrogène liquide évacué par léchangeur de chaleur secondaire 23, on comprendra qu'ils puissent avoir leur propre alimentation indépendante d'hydrogène liquide si on le désire. Presque toutes les admissions de propulseurs grande vitesse nécessitent une forme de mise à rair afin de fournir une stabilisation de lécoulement d'air Dans le cas de la présente invention, cette mise à rair est donnée par le passage 31 extérieur qui, naturellement, constitue la source d'air ambiant pour lélimination de la glace dans les premier et second échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 Toutefois, on comprendra que rair pour lélimination de la glace dans les échangeurs de chaleur 18 et 19 n'a pas impérativement besoin d'être pris dans le passage 31 annulaire, mais pourrait être prélevé d'une autre source convenable d'air ambiant. Bien que la présente invention ait été décrite avec deux échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 disposés en parallèle et à raval de runité 23, on pourrait utiliser plus d'échangeurs de chaleur si on le souhaitait. Le risque de formation de glace dans les échangeurs de chaleur est maximal au sol et à faible altitude lorsque la teneur en vapeur d'eau de lair est vraisemblablement élevée A des altitudes plus élevées, la teneur en vapeur d'eau peut être suffisamment basse pour ne pas poser de problème pour un fonctionnement efficace des échangeurs de chaleur primaires et secondaires 18, 19 et 23 Dans de telles conditions, les volets et 21 peuvent être placés en position médiane de sorte que l'écoulement d'air provenant de rentrée 13 d'air de la conduite s'écoule à travers les deux échangeurs de chaleur primaires 18 et 19 simultanément Les volets 29, 30, 37 et 38 de la conduite sont dans ce cas maintenus dans leur position fermée. Bien que la présente invention ait été décrite en supposant que le fluide cryogénique dirigé dans les échangeurs de chaleur 18, 19 et 23 est de lhydrogène liquide, on comprendra que d'autres fluides cryogéniques puissent être utilisés le cas échéant, tels du méthane liquide. Revendications: 1. Admission d'air adaptée à diriger un écoulement d'air vers un propulseur aérospatial comprenant deux ou plusieurs échangeurs de chaleur, caractérisée en ce que lesdits deux ou plusieurs échangeurs de chaleur ( 18, 19) sont disposés en parallèle de façon à permettre l'échange de chaleur entre pratiquement tout ledit écoulement d'air ainsi dirigé et un fluide cryogénique, des moyens ( 20, 21, 29, 30, 37, 38) de direction de l'écoulement d'air et des moyens ( 26) de direction du fluide cryogénique étant associés auxdits échangeurs de chaleur ( 18, 19), lesdits moyens ( 20, 21, 29, 30, 37, 38) de direction de l'écoulement d'air étant conçus pour que chacun desdits échangeurs de chaleur ( 18, 19) est exposé alternativement à lécoulement d'air dirigé vers ledit propulseur et à un écoulement d'air qui n'est pas dirigé vers ledit propulseur, de telle sorte que ledit propulseur est alimenté avec un écoulement d'air continu ayant échangé sa chaleur avec ledit fluide cryogénique, lesdits moyens de direction du fluide cryogénique ( 26) étant conçus pour que ledit fluide cryogénique s'écoule uniquement à travers l'échangeur de chaleur ( 18, 19) exposé audit écoulement de fluide qui est dirigé vers ledit propulseur. 2. Admission d'air selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite admission ( 10) comprend une conduite ( 11) ayant une extrémité amont ( 12) pour recevoir un écoulement d'air et une extrémité aval ( 14) pour délivrer ledit écoulement d'air audit propulseur, lesdits deux ou plusieurs échangeurs de chaleur ( 18, 19) se trouvant au sein de ladite conduite ( 11). 3. Admission d'air selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un autre échangeur de chaleur ( 23) est placé dans ladite conduite ( 11) à laval desdits deux ou plusieurs échangeurs de chaleur ( 18, 19) disposés en parallèle, ledit autre échangeur de chaleur ( 23) étant continuellement exposé audit écoulement d'air dirigé vers ledit propulseur et adapté à permettre réchange de chaleur entre ledit écoulement d'air et un fluide cryogénique. 4. Admission d'air selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens ( 20, 21, 29, 30, 37, 38) de direction de l'écoulement d'air comprennent plusieurs volets pivotants. 5 Admission d'air selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'au moins certains desdits volets pivotants ( 20, 21, 29, 30, 37, 38) se trouvent dans la paroi de ladite conduite ( 11), lesdits volets ( 29, 30, 37, 38) étant disposés de façon à permettre le prélèvement dudit écoulement d'air non dirigé vers ledit propulseur à un autre endroit que ladite extrémité amont ( 12) de ladite conduite ( 11), à diriger ledit écoulement d'air à travers un échangeur de chaleur ( 18, 19), puis à évacuer ledit écoulement d'air à un endroit autre que ladite extrémité aval ( 14) de ladite conduite ( 11). 6. Admission d'air selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite conduite ( 11) est munie d'un passage ( 31) de mise à l'air adapté à donner la stabilisation de récoulement d'air dans ladite admission, ledit écoulement d'air non dirigé vers ledit propulseur étant prélevé au sein dudit passage de mise à rair. 7. Admission d'air selon rune quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le fluide cryogénique passant dans ledit autre échangeur de chaleur ( 23) passe ensuite dans lesdits échangeurs de chaleur ( 18, 19) en parallèle de sorte que lécoulement d'air vers ledit propulseur échange deux fois sa chaleur avec ledit fluide cryogénique. 8. Admission d'air selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit fluide cryogénique est de l'hydrogène liquide.