Brevet FR2874239A1 — publié le 20060217

AUGMENTATION DE POUSSÉE POUR TURBORÉACTEUR A CYCLE COMBINÉ La présente invention concerne un moteur qui a une augmentation importante de poussée pour moteur à réaction et plus particulièrement un moteur ayant une utilisation dans un véhicule hypersonique ainsi que d'autres types de véhicules. Des véhicules hypersoniques réutilisables récupérables ont un nombre important de défis à relever afin d'atteindre leurs objectifs de mission. L'un des plus importants est la capacité à répondre aux exigences de poussée de véhicule tout en atteignant également des buts de taille/poids/volume pour le système de propulsion. La combinaison consistant à répondre aux exigences de poussée de propulsion tout en répondant à des limitations rigoureuses de conditionnement a contribué à l'échec de conceptions de véhicules hypersoniques précédents. Des véhicules hypersoniques récupérables actuels subissent des difficultés similaires pour ce qui est de répondre à des exigences de poussée tout en atteignant des impacts d'installation minimums. Le système de propulsion est particulièrement sollicité au niveau du point de resserrement transsonique. Le resserrement transsonique est causé par la brutale augmentation de traînée de véhicule lorsqu'il passe d'un vol subsonique à un vol supersonique. Etant donné que le moteur à réaction augmentée produit déjà le maximum de sa poussée possible, c'est-à-dire, brûlant un carburéacteur avec tout l'oxygène disponible dans le moteur, cette élévation de traînée impose que la taille du moteur augmente afin de fournir une accélération positive au véhicule. Cette augmentation de taille gêne la capacité de l'avion pour ce qui est d'achever sa mission du fait de la taille/poids/volume supplémentaire. Ainsi, il existe un besoin d'un moyen permettant d'augmenter la poussée de moteur tout en maintenant la taille du moteur de sorte que 2874239 2 le véhicule puisse clôturer (c'est-à-dire, achever la mission). Par conséquent, un objet de la présente invention est de mettre à disposition un moteur qui atteigne une 5 augmentation importante de poussée. Un objet supplémentaire de la présente invention est de mettre à disposition un moteur qui soit approprié pour une utilisation dans un véhicule hypersonique ainsi que dans d'autres véhicules. Les objets précédents sont obtenus par le moteur de la présente invention. Conformément à un premier aspect de la présente invention, le moteur comprend de manière générale un moyen de turbogénération pour générer un flux de gaz d'échappement chauds et une force de poussée initiale, un augmentateur de poussée positionné à l'arrière du moyen de turbogénération, et un moyen pour injecter un comburant dans les gaz d'échappement chauds afin d'augmenter de manière importante l'oxygène disponible pour une combustion résultant en une augmentation importante de la force de poussée générée par le moteur. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le comburant est un comburant qui subit une décomposition thermique, tel qu'un peroxyde d'hydrogène liquide (HTP). Conformément à un second aspect de la présente invention, un procédé pour générer une force de poussée augmentée pour propulser un véhicule comprend de manière générale les étapes consistant à mettre à disposition un moteur ayant un étage de turbogénérateur et un augmentateur de poussée ayant une partie intérieure, créant dans l'étage de turbogénérateur un flux de gaz d'échappement chauffés et une force de poussée initiale, injecter un comburant dans le flux de gaz d'échappement chauffés afin de créer un environnement riche en oxygène dans la partie intérieure de l'augmentateur de poussée, et injecter un carburant 2874239 3 supplémentaire dans la partie intérieure de l'augmentateur de poussée afin d'augmenter la force de poussée. D'autres détails de l'augmentation de poussée pour un moteur à turboréaction à cycle combiné, ainsi que d'autres objets et avantages en découlant, sont présentés dans la description détaillée suivante et les dessins joints dans lesquels des références numériques identiques représentent des éléments identiques. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un 10 moteur conformément à la présente invention; et la figure 2 est un graphique illustrant l'impact d'une poussée de moteur avec l'injection d'un comburant dans l'augmentateur de poussée du moteur. la présente invention concerne un moteur qui met à disposition une force de poussée améliorée qui peut être utilisée dans une large variété de véhicules mais a une utilité particulière dans un véhicule hypersonique. En se référant maintenant à la figure 1, un mode de réalisation d'un moteur 10 conformément à la présente invention est illustré. Le moteur 10 comprend une section 12 de turbogénérateur et un augmentateur 14 de poussée positionné à l'arrière de la section 12 de turbogénérateur. La section 12 de turbogénérateur peut comprendre un turbomoteur quelconque approprié connu dans l'art. Par exemple, la section 12 de turbogénérateur peut être un moteur double-corps qui comprend un étage 16 de compresseur basse pression avec une ou plusieurs aubes de compresseur, un étage 20 de compresseur haute pression avec une ou plusieurs aubes de compresseur, un étage 22 de turbine haute pression avec un ou plusieurs rotors de turbine, et un étage 26 de turbine basse pression avec un ou plusieurs rotors de turbine. Si on le souhaite, la section 12 de turbogénérateur peut comprendre une voie de passage 28 de dérivation qui entoure de manière circonférentielle le coeur 30 du moteur. Une chambre de combustion 32 annulaire peut être prévue entre l'étage 20 de compresseur haute pression 2874239 4 et l'étage 22 de turbine haute pression. La chambre de combustion 32 peut être alimentée avec un carburéacteur d'une manière quelconque appropriée connue dans l'art. Bien que la section 12 de turbogénérateur a été décrite comme étant un moteur double corps, la section 12 de turbogénérateur du moteur 10 pourrait être un moteur triple corps ayant un étage de compresseur basse pression, un étage de compresseur de pression intermédiaire, un étage de compresseur de haute pression, un étage de turbine haute pression, un étage de turbine basse pression et de turbine de pression intermédiaire ou un moteur simple corps ayant un étage de compresseur connecté à un étage de turbine. Chaque étage de compresseur a au moins une aube de compresseur et chaque étage de turbine a au moins un rotor de turbine. La section 12 de turbogénérateur génère une force de poussée initiale qui sort de la section 12 de turbogénérateur en tant que gaz d'échappement à haute pression, comprendre connu dans qui a partie une source chaud. L'augmentateur 14 de poussée peut un augmentateur de poussée quelconque approprié l'art qui se termine en une buse 34 de moteur et moyen 50 pour injecter du carburant dans une intérieure de l'augmentateur 14 de poussée, et 54 d'allumage. Par exemple, l'augmentateur 14 de un 52 poussée pourrait être un augmentateur de poussée de style F100 qui a des barres de vaporisation pour injecter un carburant, une bougie, et des stabilisateurs de flammes, ou un augmentateur de poussée de style F119, ou un autre augmentateur de poussée quelconque approprié connu dans l'art. Conformément à la présente invention, un moyen 36 pour injecter un comburant dans les gaz d'échappement sortant de la section 12 de turbogénérateur est mis à disposition. Le moyen 36 d'injection de comburant peut comprendre un moyen quelconque approprié connu dans l'art tel que des barres de vaporisation radiales, des anneaux de vaporisation 2874239 5 circonférentiels, et des buses de vaporisation individuelles. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le moyen 36 d'injection de comburant comprend un ensemble de barres de vaporisation radiales. Le moyen 36 d'injection de comburant est situé de préférence au niveau de l'interface 38 entre la section 12 de turbogénérateur et l'augmentateur de poussée 14. Le moyen 36 d'injection de comburant peut être utilisé pour introduire un comburant décomposable thermiquement, tel qu'un peroxyde d'hydrogène liquide (HTP), de l'oxygène liquide, de l'oxyde nitreux ou un autre comburant quelconque approprié connu dans l'art, dans les gaz d'échappement sortant de la section 12 de turbogénérateur. Utiliser un comburant stockable écologique tel que de l'HTP est avantageux sur le marché actuel sensible aux problèmes environnementaux. L'utilisation d'une décomposition thermique et non d'un catalyseur pour décomposer le HTP est un avantage économique important étant donné les aspects de durée de vie limitée d'une décomposition de lit catalytique. L'utilisation d'un HTP dans le moteur à réaction est également avantageuse du fait de l'inclusion d'HTP à bord du véhicule hypersonique due à d'autres exigences de véhicules. Le comburant peut être stocké dans un réservoir 40 approprié quelconque situé dans un véhicule 42. Une ou plusieurs conduites 44 d'écoulement peuvent être mises à disposition pour conduire le comburant entre le réservoir 40, une pompe, une vanne de commande, et le moyen 36 d'injection. Si on le souhaite, une ou plusieurs vannes 46 peuvent être incorporées dans la/les conduite(s) 44 d'écoulement pour commander le débit du comburant vers le moyen 36 d'injection. Le comburant est de manière souhaitable injecté à un niveau de pression suffisant pour créer une répartition d'injection adéquate. Le débit-masse du comburant étant injecté par le biais d'un moyen 36 est relatif à (1) la 2874239 6 température du flux de gaz d'échappement chauds dans lequel le comburant va être injecté ; et (2) la concentration en comburant. De préférence, le rapport de débit-masse de l'HTP par rapport au gaz d'échappement est de l'ordre 0,5: 1 à 3: 1. La concentration de HTP (rapport d'une masse de peroxyde par rapport à une masse d'eau) est de préférence de l'ordre de 85 % à 98 % et de manière davantage préférée de 95 % à 98 %. Avec l'ajout d'un comburant dans les gaz d'échappement sortant de la section 12 de turbogénérateur, la décomposition du comburant fournit une source à auto-allumage à température élevée riche en oxygène. Ainsi, l'écoulement de carburant dans l'intérieur 52 de l'augmentateur de poussée peut être agencé au-delà de la limite des moteurs à réaction classiques. La figure 2 représente l'impact d'une poussée de moteur avec l'ajout d'HTP. Cette figure représente une augmentation de 70 % d'un potentiel de poussée pour un système d'injection classique. Les augmentations de poussée apparaissent virtuellement sans aucune augmentation de taille/poids/volume de système de propulsion. En outre, des augmentations de poussée sont limitées uniquement par des cinématiques de buses. Le système de moteur augmenté en poussée de la présente invention a une utilité particulière dans des véhicules hypersoniques étant donné qu'il fournit une augmentation importante de poussée avec un impact minimum sur le véhicule. En conséquence, les véhicules hypersoniques peuvent accomplir leur mission. Tel qu'on peut le voir à partir de ce qui précède, un moteur a été décrit qui fournit une poussée augmentée pour un moteur à réaction de turboaccélérateur à cycle combiné. Le moteur de la présente invention permet une augmentation de poussée importante dans la gamme de poussée transsonique de moteur à réaction nouveau ou existant tout en ajoutant une quantité minimum de nouveaux matériels. L'augmentation 2874239 7 de poussée est générée par l'injection d'un comburant dans l'augmentateur 14 de poussée du moteur à réaction. Le comburant subit une décomposition thermique dans les gaz d'échappement chauds produits par le turbogénérateur 12 amenant une augmentation importante du niveau d'oxygène disponible pour une combustion. Un carburéacteur supplémentaire peut ensuite être injecté dans l'augmentateur 14 de poussée, augmentant la génération de gaz haute pression chauds pour alimenter la buse 34 de moteur, et donc générer une poussée supplémentaire. Bien que la présente invention ait été décrite comme ayant une utilité dans la propulsion de véhicules hypersoniques, le moteur de la présente invention peut être utilisé pour propulser d'autres types d'avion. 2874239 8 REVENDICATIONS 1. Moteur (10) pour créer une force propulsive comprenant: un moyen de turbogénération pour créer un flux de gaz d'échappement chauffés et une force de poussée initiale; un augmentateur (14) de poussée positionné à l'arrière dudit moyen de turbogénération; et un moyen (36) pour injecter un comburant dans le flux 10 de gaz d'échappement chauffés. 2. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant est situé au niveau d'une interface (38) entre ledit moyen de turbogénération et ledit augmentateur (14) de poussée et dans lequel ledit augmentateur (14) de poussée comprend un moyen (50) pour injecter un carburant à l'intérieur d'une section dudit augmentateur (14) de poussée, par lequel une décomposition dudit comburant augmente l'oxygène disponible pour une combustion dans ledit augmentateur (14) de poussée. 3. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen pour injecter un comburant thermiquement décomposable dans lesdits gaz d'échappement. 4. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen 30 pour injecter du peroxyde dans lesdits gaz d'échappement. 5. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen pour injecter ledit comburant selon un rapport de débit- masse de comburant par rapport au gaz d'échappement de 0,5: 1 à 3: 1. 9 2874239 6. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen de turbogénération a au moins un compresseur et un rotor de turbine. 7. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un ensemble de barres de vaporisation radiales. 8. Moteur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un ensemble de barres de vaporisation périphériques. 9. Procédé pour générer une force de poussée 15 augmentée pour propulser un véhicule comprenant les étapes consistant à, pour un moteur ayant un étage (12) de turbogénération et un augmentateur (14) de poussée ayant une partie intérieure (52) . créer un flux de gaz d'échappement chauffés et une force de poussée initiale avec ledit étage (12) de turbogénération; injecter un comburant dans le flux de gaz d'échappement chauffés afin de créer un environnement riche en oxygène dans ladite partie intérieure (52) dudit augmentateur (14) de poussée; et injecter un carburant dans ladite partie intérieure (52) dudit augmentateur (14) de poussée afin d'augmenter ladite force de poussée initiale. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection dudit comburant dans le flux des gaz d'échappement chauffés au niveau d'une interface (38) entre ledit étage (12) de turbogénération et ledit augmentateur (14) de poussée. 2874239 10 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection d'un comburant subissant une décomposition thermique dans le flux de gaz d'échappement chauffés. 12. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection de HTP dans le flux de gaz d'échappement chauffés, à un niveau de concentration de 85 % à 98 %. 13. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection d'oxygène dans le flux de gaz d'échappement chauffés. 14. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection d'oxyde nitreux dans le flux de gaz d'échappement chauffés. 15. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection dudit comburant à un niveau de rapport de débit-masse de comburant par rapport à un gaz d'échappement de 0,5: 1 à 3,0: 1. 16. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite étape d'injection de comburant comprend l'injection de HTP à un niveau de concentration de 95 % à 98 %. 17. Véhicule (42) comprenant un moteur (10) destiné à fournir une force propulsive, ledit moteur (10) comprenant un moyen de turbogénération pour créer un flux de gaz d'échappement chauffés et une force de poussée initiale, un augmentateur (14) de poussée positionné à l'arrière dudit moyen de turbogénération, et un moyen (36) pour injecter un comburant dans le flux de gaz d'échappement chauffés. 2874239 11 18. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant est situé au niveau d'une interface (38) entre ledit moyen de turbogénération et ledit augmentateur (14) de poussée et dans lequel ledit augmentateur (14) de poussée comprend un moyen (50) pour injecter un carburant dans une section intérieure dudit augmentateur (14) de poussée, par laquelle la décomposition dudit comburant augmente l'oxygène disponible pour une combustion dans ledit augmentateur (14) de poussée. 19. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen pour injecter un comburant décomposable 15 thermiquement dans lesdits gaz d'échappement. 20. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen pour injecter du HTP dans lesdits gaz 20 d'échappement. 21. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen pour injecter de l'oxygène liquide ou de l'oxyde 25 nitreux dans lesdits gaz d'échappement. 22. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen (36) d'injection de comburant comprend un moyen pour injecter ledit comburant selon un rapport de débit-masse de comburant par rapport à des gaz d'échappement de 0,5: 1 à 3: 1. 23. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen de turbogénération comprend au moins un 35 compresseur et un rotor de turbine. 2874239 12 24. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen de turbogénération comprend au moins deux compresseurs et rotors de turbine. 25. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans lequel ledit moyen {36) d'injection de comburant comprend un ensemble de barres de vaporisation radiales. 26. Véhicule (42) selon la revendication 17, dans 10 lequel ledit véhicule (42) est un véhicule hypersonique.