Brevet FR2883929A1 — publié le 20061006

CARACTERISTIQUES D'AUGMENTATION DU TRANSFERT THERMIQUE POUR UNE CHAMBRE A COMBUSTION A PAROI TUBULAIRE La présente invention se réfère à des chambres de combustion utilisées pour des moteurs et à des techniques pour augmenter ou renforcer le taux du flux de chaleur provenant d'une chambre de combustion entourée par des parois constituées de tubes ou tuyaux. Tel que montré sur la figure lA, =_a plupart des chambres de combustion ont des parois internes lisses 2 ne permettant pas d'augmenter le transfert de chaleur entre une flamme et la paroi. Au contraire, tel que montré dans les figures lB et 1C, certaines chambres de combustion ont des parois ondulées 4 constituées de tubes ou tuyaux 6, une configuration qui augmente la superficie de la surface extérieure, augmentant ainsi le transfert de chaleur. L'intérieur des tubes 6 transporte de manière typique un réfrigérant tel que l'eau ou l'hydrogène. Le but des tubes 6 est triple: (1) contenir la flamme; (2) transfert de chaleur des gaz de combustion vers le réfrigérant et (3) contenir le réfrigérant. Ainsi, les parois des tubes 6 doivent être typiquement épaisses, conductrices thermiquement et capables de résister à des températures de surface élevées. Une vulnérabilité des structures à paroi ondulée est que les couronnes des parois, c'est-à-dire les portions de la paroi se trouvant les plus proches de la flamme, sont sollicitées typiquement à des températures plus élevées que le reste de la paroi. Ainsi, les chambres de combustion à paroi tubulaire doivent être conçues pour maintenir les couronnes des tubes bien au-dessous du point de fusion du matériau de tube. Cela nécessite de manière typique que les tubes doivent être orientés de manière à être parallèles au champ de flux de gaz chaud dans la chambre de combustion car d'autres orientations pourraient amener le champ d'écoulement à basculer au moment de passer au-dessus de chaque tube. Un tel basculement pourrait entraîner la surchauffe de la couronne de tube. Cette caractéristique de conception signifie qu'une grande partie de la paroi tubulaire faisant face à la flamme (en particulier le creux entre deux couronnes de tube adjacentes) fonctionne bien en deçà de sa capacité maximale de température. Par conséquent, c'est un but de la présente invention de fournir une chambre de combustion à paroi tubulaire présentant un transfert de chaleur augmenté dans le creux entre des couronnes de tube adjacentes. Ce but est atteint par des structures de paroi de chambre de combustion de la présente invention. Conformément à la présente invention, une chambre de combustion améliorée pour un usage dans un moteur, tel qu'un moteur de fusée à cycle d'expansion, est prévue. La chambre de combustion comprend en général une structure de paroi interne ayant une configuration ondulée avec une pluralité de couronnes espacées. Des moyens sont prévus dans chaque creux pour augmenter le taux du flux de chaleur ou du transfert de chaleur. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le moyen d'augmentation du taux du flux de chaleur comprend une structure en chevron ou une bosse positionnée dans le creux. D'autres détails des caractéristiques d'augmentation du transfert de chaleur pour des chambres de combustion à paroi tubulaire ainsi que d'autres buts et avantages annexes ressortent de la description détaillée qui suit et des dessins annexés, dans lesquels les références numériques similaires décrivent les mêmes éléments. Les figures 1A-1C montrent les structures de paroi de chambre de combustion de l'art antérieur; La figure 2 montre un premier mode de réalisation d'une paroi interne de chambre de combustion conformément à la présente invention ayant une structure en chevron pour augmenter le taux du flux de chaleur dans des creux adjacents; La figure 3 est vue frontale de la structure en chevron de la figure 2; La figure 4 est une vue d'une pluralité de structures en chevron dans des creux adjacents dans une configuration alternée; La figure 5 montre un second mode de réalisation d'une paroi de chambre de combustion conformément à la présente invention ayant une bosse pour augmenter le taux du flux de chaleur dans des creux adjacents; La figure 6 est une vue avant d'une configuration 20 en bosse de la figure 5; et La figure 7 est une vue d'une pluralité de bosses dans des creux adjacents dans une configuration alternée. En se référant aux figures 2 à 4, il est montré une portion d'une structure de paroi interne 10 d'une chambre de combustion 12 comportant un premier mode de réalisation d'un mécanisme pour augmenter _e taux du flux de chaleur conformément à la présente invention. La structure de paroi interne 10 est formée par une pluralité de tubes ou tuyaux reliés ou connectés dans lesquels s'écoule du réfrigérant. Comme il peut être vu sur les figures, la structure de paroi interne 10 présente une configuration ondulée. Tandis que seulement une portion de la paroi interne 10 de la chambre de combustion 12 est montrée, il faut signaler que la structure de paroi interne 10 entoure complètement l'espace qui est la chambre de combustion 12. La structure de paroi interne 10 peut être circulaire ou non circulaire en fonction de la configuration souhaitée de la chambre de combustion 12. La pluralité de tubes ou tuyaux 14 peut être réalisée dans la structure de paroi interne 10 de n'importe quelle manière appropriée connue dans la technique antérieure et en n'importe quel matériau conducteur connu dans la technique antérieure, tel que du cuivre ou un alliage de cuivre. Les tubes ou tuyaux 14 sont typiquement formés d'une seule pièce et sont ainsi reliés entre eux. Les tubes ou tuyaux 14 sont orientés de préférence de manière à être parallèles au champ d'écoulement des gaz chauds dans la chambre de combustion 12. Ils font partie intégrante de la paroi interne 10. La structure de paroi interne 10 est caractérisée par une pluralité de couronnes espacées 16 et une pluralité de creux 18 interposés entre les couronnes espacées 16. Les couronnes 16 sont des portions de la paroi interne 10 les plus proches de la flamme et fonctionnent à des températures plus élevées que le reste de la paroi interne 10. Afin d'augmenter la capacité de l'ensemble de la paroi interne 10 à fonctionner à sa capacité maximale de température, des moyens sont prévus dans chacun de ces creux 18 pour augmenter le flux de chaleur ou le transfert de chaleur dans chaque creux 18. Dans la réalisation montrée sur les figures 2 à 4, le moyen d'augmentation du flux de chaleur comprend une structure en chevron réalisée en un matériau thermoconducteur tel que du cuivre usiné ou un alliage de cuivre. La structure en chevron 20 revêt de préférence la forme d'un V avec son arête avant 22 orientée dans une direction parallèle ou essentiellement parallèle au champ d'écoulement des gaz chauds dans la chambre de combustion 12. Chaque structure en chevron 20 est reliée à un creux respectif 18 utilisant tout moyen approprié connu dans l'art, tel qu'un morceau de matériau thermoconducteur. Chaque structure en chevron 20 remplit de préférence un creux respectif 18. Il est important que chaque structure en chevron 20 soit positionnée de sorte que sa surface supérieure 24 est plus basse que les couronnes adjacentes 16. Il est nécessaire d'éviter la fusion des structures en chevron 20. Chaque structure en chevron 20 ne présente, de préférence, pratiquement pas de hauteur à ses pointes 26 et présente sa hauteur la plus importante à son centre 28. Le milieu ou centre 28 de chaque structure en chevron 20 se trouve au milieu d'un creux respectif 18 entre des tubes adjacents 14. Comme cela peut être vu sur la figure 3, les pointes 26 de la structure en chevron 20 s'élèvent le long des faces 30 du creux, pointant en direction des couronnes 16 des tubes 14. La hauteur de chaque structure en chevron 20 est importante en ce que, si la hauteur est trop petite, la structure en chevron 20 ne peut pas fournir une augmentation sensible de transfert de chaleur. Si la structure en chevron 20 est trop haute, tel que mentionné ci-dessus, elle peut surchauffer et fondre. Bien que la largeur soit importante, elle n'est pas aussi importante que la hauteur en général. Cependant, la structure en chevron 20 devrait remplir une grande partie du creux 18. En fonction de la géométrie de la chambre de combustion, les structures en chevron 20 peuvent être alignées, tel que montré sur la figure 2, ou elles peuvent être alternées autour de la circonférence de la chambre de combustion 12, tel que montré sur la figure 4. C'est-à-dire certaines structures adjacentes en chevron 20 peuvent être alignées (voir figure 2) ou en variante certaines structures adjacentes en chevron 20 peuvent être alternées (voir figure 4). Si souhaité, certaines de ces structures en chevron adjacentes peuvent être alignées tandis que d'autres peuvent être alternées. En se référant aux figures 5 à 7, il est montré un autre mode de réalisation d'un moyen d'augmentation du transfert de chaleur conformément à la présente invention. Dans ce mode de réalisation., les moyens d'augmentation du transfert de chaleur sont formés par une pluralité de bosses 40. Chaque bosse 40 est positionnée de manière à se trouver dans un creux respectif 18 et est formée par une structure hémisphérique avec la paroi plate 42 tournée vers l'aval. Comme auparavant, chaque bosse 40 présente une hauteur qui est suffisamment élevée pour procurer une augmentation sensible de transfert de chaleur. En outre, la hauteur n'est pas telle que la bosse 40 surchauffe et fonde. Chaque bosse 40 peut être réalisée à partir de n'importe quel matériau approprié thermoconducteur connu dans la technique, tel que le cuivre ou un alliage de cuivre, et peut être reliée à un creux respectif 18 utilisant tous les moyens appropriés connus dans la technique. Ensuite, chaque bosse 40 présente une surface supérieure 44 et ladite surface supérieure 44 est plus basse que les surfaces adjacentes des couronnes 16. Les bosses 40 dans des creux adjacents peuvent être alignées autour de la circonférence de la chambre de combustion 12, tel que montré sur la figure 5. En variante, les bosses 40 peuvent être alternées autour de la circonférence de la chambre de combustion 12 comme montré sur la figure 7. De même, les bosses 40 peuvent être disposées dans une combinaison de ce qui précède. La disposition utilisée dépend de la géométrie de la chambre de combustion 12. Tel qu'évoqué ci-dessus, le champ d'écoulement des gaz chauds dans la chambre de combustion 12 est amené à basculer pour augmenter les effets de transfert de chaleur. Le basculement a pour effet d'amener la portion la plus chaude de la flamme (la partie à l'extérieur de la couche limite) en contact plus étroit avec la paroi tubulaire 12. L'usage des moyens d'augmentation du transfert de chaleur, que ce soit les structures en chevron 20 ou les bosses 40, provoque une intensification locale de la turbulence dans les creux 18 de manière efficace. Les moyens d'augmentation du transfert de chaleur amènent le champ d'écoulement à proximité de chaque creux respectif à basculer sans provoquer un basculement du champ d'écoulement à proximité des couronnes adjacentes. Chaque structure en chevron ou corps en forme de bosse a une hauteur suffisante pour fournir une augmentation sensible ou suffisante du transfert de chaleur, mais une hauteur inférieure à celle qui amènerait la structure en chevron ou le corps en forme de bosse à surchauffer et à fondre. Des tests ont indiqué que les caractéristiques d'augmentation du flux de chaleur décrites précédemment augmentent le transfert de chaleur de 15 à 30%. Les tests étaient constitués de tests sur table de travail avec des tubes en cuivre et des structures en chevron ou des bosses en cuivre usiné. L'air froid passait à travers les tubes tandis que l'air chaud était amené à. s'écouler sur la face externe des tubes et sur les structures en chevron et les bosses fixées à l'extérieur des tubes. Le test a mesuré l'augmentation de la température de l'air froid à différents débits d'écoulement d'air chaud et d'air froid pour des géométries variables de bosses et de chevrons. Les tests ont démontré de manière constante que les bosses et les structures en chevron améliorent le taux du transfert de chaleur de 15 à 30 Tandis que les moyens d'augmentation du transfert de chaleur décrits ont la forme d'un chevron ou d'une structure hémisphérique, d'autres formes peuvent être utilisées si souhaité. Les configurations de paroi interne de combustion décrites ici peuvent être utilisées pour toute chambre de combustion pour tout moteur connu dans la technique. Les configurations de la présente invention ont trouvé une utilité particulière dans des chambres de combustion pour des moteurs de fusées à cycle d'expansion dont la structure de paroi interne 10 comprend une pluralité de tubes ou tuyaux 14 pour le transport d'un réfrigérant. L'invention concerne également un moteur comprenant une chambre de combustion selon la présente invention. De façon plus précise, l'invention concerne également un moteur comprenant: - une chambre de combustion ayant une paroi interne 10 avec une pluralité de tubes faisant partie intégrante de ladite paroi interne 10, - ladite paroi interne 10 ayant une surface formée 30 par une pluralité de couronnes 16 espacées et une pluralité de creux 18 espacés; et - des moyens à l'intérieur de chaque creux 18 pour l'augmentation du taux du transfert de chaleur à l'intérieur du creux. Chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur comprend une structure en chevron dans chaque creux. Chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur comprend un corps de bosse à l'intérieur de chaque creux. Chaque moyen de d'augmentation du taux du transfert de chaleur remplit sensiblement le creux dans lequel il est positionné. Chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur a une hauteur suffisante pour fournir une augmentation sensible du taux du transfert de chaleur mais une hauteur inférieure à celle qui amènerait le moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur à surchauffer et fondre. Chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur a une surface supérieure et ladite surface supérieure est plus basse que les surfaces adjacentes des couronnes. Il est évident que conformément à la présente invention, il a été prévu des caractéristiques d'augmentation du transfert de chaleur pour des chambres de combustion à paroi tubulaire qui satisfont pleinement aux buts, moyens et avantages prévus précédemment. Tandis que la présente invention a été décrite dans le contexte de réalisations spécifiques, d'autres alternatives, modifications et variations vont devenir évidentes aux hommes de métier à la lecture de la description précédente. Par conséquent, il est prévu d'inclure ces alternatives, modifications et variations dans l'étendue de protection des revendications jointes. Revendications 1. Chambre de combustion pour un usage dans un moteur, ladite chambre de combustion comprenant: une structure de paroi interne ayant une configuration avec une pluralité de couronnes espacées et une pluralité de creux interposés entre les couronnes espacées; et - des moyens dans chaque creux pour augmenter le 10 taux du flux de chaleur. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle le moyen d'augmentation du taux du flux de chaleur comprend des moyens pour amener un champ d'écoulement proche d'un creux respectif à basculer sans provoquer le basculement du champ d'écoulement près des couronnes adjacentes. 3. Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen d'augmentation du taux du flux de chaleur comprend au moins une structure en chevron placée dans chaque creux. 4. Chambre de combustion selon la revendication 3, dans laquelle chaque structure en chevron a une hauteur suffisante pour fournir une augmentation sensible du transfert de chaleur mais une hauteur inférieure à celle qui amènerait la structure à surchauffer et à fondre. 5. Chambre de combustion selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle chaque structure en chevron a une surface supérieure et ladite surface supérieure est plus basse que les surfaces adjacentes des couronnes. 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications 3 à 5, dans laquelle chaque structure en chevron n'a presque pas de hauteur à ses pointes et a une hauteur plus importante en son centre. 7. Chambre de combustion selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle chaque structure en chevron a des pointes qui s'élèvent le long des faces du creux dans lequel est placée ladite structure vers les couronnes. 8. Chambre de combustion selon l'une des revendications 3 à 7, dans laquelle certaines des structures en chevron adjacentes sont alignées entre elles. 9. Chambre de combustion selon l'une des revendications 3 à 7, dans laquelle certaines des structures en chevron adjacentes sont alternées entre elles. 10. Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit moyen d'augmentation du taux du flux de chaleur comprend au moins un corps sous forme d'une bosse placée dans chaque creux. 11. Chambre de combustion selon la revendication 10, dans laquelle chaque corps en forme de bosse comprend une structure hémisphérique avec une parti plate tournée vers l'aval. 12. Chambre de combustion selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle chaque corps en forme de bosse a une hauteur suffisante pour fournir une augmentation du transfert de chaleur suffisante mais une hauteur inférieure à celle qui amènerait le corps en forme de bosse à surchauffer et à fondre. 13. Chambre de combustion selon l'une des revendications 10 à 12, dans laquelle certaines des 30 bosses adjacentes sont alignées entre elles. 14. Chambre de combustion selon l'une des revendications 10 à 13, dans laquelle certaines des bosses adjacentes sont alternées entre elles. 15. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la structure de paroi interne est formée par une pluralité de tubes, un réfrigérant s'écoulant à travers chacun desdits tubes. 16. Moteur comprenant: - une chambre de combustion ayant une paroi interne (10) avec une pluralité de tubes Faisant partie intégrante de ladite paroi interne (10); - ladite paroi interne (10) ayant une surface 10 formée par une pluralité de couronnes (16) espacées et une pluralité de creux (18) espacés; et - des moyens à l'intérieur de chaque creux (18) pour l'augmentation du taux du transfert de chaleur à l'intérieur du creux. 17. Moteur selon la revendication 16, dans lequel chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur comprend une structure en chevron dans chaque creux. 18. Moteur selon la revendication 116, dans lequel chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur comprend un corps de bosse à l'intérieur de chaque creux. 19. Moteur selon l'une des revendications 16 à 18, dans lequel ledit moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur remplit sensiblement le creux dans lequel il est positionné. 20. Moteur selon l'une des revendications 16 à 19, dans lequel ledit moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur a une hauteur suffisante pour fournir une augmentation sensible du taux du transfert de chaleur mais une hauteur inférieure à celle qui amènerait le moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur à surchauffer et fondre. 21. Moteur selon l'une des revendications 16 à 20, dans lequel chaque moyen d'augmentation du taux du transfert de chaleur a une surface supérieure et ladite surface supérieure est plus basse que les surfaces adjacentes des couronnes.