Brevet FR2956165A1 — publié le 20110812

DESCRIPTION La présente invention concerne une tuyère à noyau, en particulier une tuyère à noyau supersonique, avec un boîtier définissant un débit et un corps central tenu en particulier au centre du débit, diminuant la section du débit, façonné en particulier dans une forme oblongue. w Les tuyères à noyau de ce type sont connues dans l'état de la technique dans différentes structures. Elles sont par exemple utilisées dans des bancs d'essai de réacteur de fusée, dans l'entrée d'air de réacteurs d'avion supersonique, etc. 15 Des réacteurs de fusée, qui sont utilisés dans des étages supé- rieurs, satellites ou sondes spatiales, fonctionnent dans des condi- tions environnementales dans lesquelles le vide prédomine. Ces conditions de vide ont une incidence entre autres sur l'allumage du réacteur en raison de la préparation modifiée du gaz propulseur. Le 20 réacteur développe une poussée plus élevée et subit en consé- quence une charge plus élevée. Le régime thermique est aussi soumis dans le vide à des lois physiques différentes des conditions normales, car il n'y a pas de convection dans le vide. Pour pouvoir simuler ces conditions, des bancs d'essai conçus conformément à 25 cela, pouvant créer un environnement avec moins de millibars de pression ambiante, sont nécessaires. Dans le cas d'un tel banc d'essai, un réacteur placé dans une chambre à vide est approvi- sionné en propulseur par l'intermédiaire d'un système d'alimenta- tion. Les gaz d'échappement du réacteur, qui sont composés par exemple principalement de vapeur d'eau, lorsque le réacteur brûle de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide pour les transformer en eau, sortent du réacteur avec une vitesse du son multiple et sont immédiatement après acheminés vers un diffuseur nucléaire s supersonique. Celui-ci ralentit les gaz d'échappement au subsonique de manière contrôlée et introduit les gaz sans grandes pertes de pression dans une installation de vide. De cette manière, il est possible de simuler les conditions ambiantes de l'univers avec un réacteur en fonctionnement. Dans un premier étage éjecteur, le 10 gaz d'échappement est aspiré et acheminé vers un condensateur. À cet endroit le gaz d'échappement est refroidi à l'aide d'eau froide et la part de vapeur d'eau se condense. Le gaz résiduel est aspiré par un autre étage éjecteur et amené complètement à pression ambiante. 15 L'utilisation d'une tuyère à noyau, c'est-à-dire une tuyère avec un corps central tenu de manière centrée dans le débit, dans un banc d'essai de réacteur de fusée, offre une série de caractéristiques avantageuses. La longueur de construction du diffuseur peut en 20 particulier être raccourcie en raison de la position du corps central, ce qui a par exemple des répercussions positives sur la hauteur de construction du bâtiment comprenant la tuyère. L'une des exigences essentielles relatives à une tuyère à noyau est 25 la fixation du corps central à l'intérieur du boîtier, son orientation à l'intérieur du débit ainsi que son alimentation en eau froide, circuits de mesure, etc. ce qui engendre un coût très élevé de construction et fabrication. Dans le cas d'une tuyère à noyau utilisée jusqu'à présent, dans le domaine subsonique en aval du système à pousser à travers le courant supersonique disponible dans la zone d'entrée de la tuyère, se trouve un dispositif de retenue, qui doit tenir le corps central dans la position souhaitée. Ce dispositif de retenue est réalisé actuellement par des bras de retenue solides, fixes et le cas échéant réfrigérés, qui reçoivent toutes les forces qui agissent sur le corps central et les transmet aux pièces de construction extérieures. Les bras de retenue ainsi que leur ancrage doivent en l'occurrence être suffisamment solides et/ou rigides dans le but d'empêcher de trop grandes déformations et par conséquent les io modifications qui les accompagnent en ce qui concerne la position et/ou l'orientation du corps central à l'intérieur du débit. Un inconvénient important de cette construction consiste en le fait que cette réalisation du dispositif de retenue par des bras de retenue en-gendre un coût très élevé de conception, construction et montage. 15 En raison du refroidissement nécessaire, il faut aussi considérer comme étant essentiel le coût de fonctionnement dans le cas des installations qui sont exploitées avec de hautes températures. Ce coût vient d'une part de la nécessité, devant être garantie, que 20 l'écoulement ne soit pas altéré de manière critique, de par le rétrécissement de section produit par le dispositif de retenue. Les grandes structures, que représentent les bras de retenue par rapport au canal d'écoulement, doivent cependant être considérées comme entrave essentielle à l'écoulement, ce que l'on tente de 25 compenser actuellement par exemple par la prévision d'un dia-mètre plus important au niveau de la sortie de la tuyère. Un agrandissement du diamètre exige cependant des bras de retenue ultérieurement renforcés, ce qui n'est pas souhaitable pour la technique de construction et de matériel. D'autre part, un coût élevé est conditionné par les grands moments qui sont générés par les longueurs du corps central et en raison de sa fixation dans la zone de sortie de la tuyère. Conformément à cela, les bras de retenue doivent en particulier être exécutés dans une version très résistante dans le cas de grandes installations, ce qui n'est pas propice à une structure étroite des bras de retenue, qui n'entrave pas l'écoulement. io De plus, le corps central à l'intérieur du débit doit être positionné et orienté avec une précision satisfaisante. Cela exige une grande précision lors du soudage de la tuyère à noyau, puisque des ajus- tements ultérieurs ne sont plus possibles. 15 Un autre inconvénient est dû au refroidissement nécessaire de grandes pièces ou superficies et de l'alimentation et de la distribution nécessaire de l'eau de refroidissement correspondante. De plus, le remplacement d'un corps central dans le cadre de tra- 20 vaux de réparation et / ou adaptation est très coûteux ou pratiquement impossible, puisque les bras de retenue sont soudés avec le boîtier et le corps central. Découlant de l'état de la technique, le but de la présente invention 25 est de créer une tuyère à noyau du type mentionné ci-dessus, qui présente un montage alternatif, simple et bon marché dans le cas d'une faible utilisation de matériaux et faibles dimensions et dont le corps central est interchangeable avec un effort économique. Pour résoudre ce problème, la présente invention crée une tuyère à noyau du type mentionné précédemment, qui est caractérisé par le fait que le corps central est tenu au moins en partie dans le débit par des éléments de serrage soumis principalement ou exclusive-5 ment à des contraintes de traction. Un avantage essentiel des éléments de serrage soumis principale-ment ou exclusivement à des sollicitations de traction consiste en le fait que lors de la disposition de la tuyère à noyau, aucune 10 charge de flexion ni charge due à des problèmes de stabilité ne doit être prises en compte, c'est pourquoi les éléments de serrage peuvent être dimensionnés avec de petites sections. Ceci a une répercussion particulièrement bénéfique sur les coûts de matériaux et l'espace de construction nécessaire. De plus, des sections plus is faibles ont moins de répercussions sur l'écoulement dans le débit de la tuyère à noyau et il n'est donc pas nécessaire de les placer à l'extrémité de la tuyère. En raison de la formation possible des éléments de serrage avec des petites sections, le coût de refroidissement peut en plus être réduit. 20 Selon une modalité de la présente invention, les éléments de serrage sont formés au moins en partie en tant que fils de tension et / ou câbles tension et / ou barres de traction. De cette manière, on obtient une structure simple de la tuyère à noyau. 25 Les éléments de serrage sont maintenus en vue de l'orientation du corps central de préférence de manière ajustable sur le boîtier et/ou au niveau du corps central. Conformément à cela, le corps central peut être orienté durant son assemblage dans le boîtier et également réajusté ultérieurement. Les éléments de serrage sont avantageux dans le sens de l'étire-ment longitudinal du corps central, décalés les uns par rapport aux autres. Une disposition répartie de cette manière des éléments de s serrage empêche l'apparition de grands moments, car les forces peuvent être absorbées plus près au niveau de leur endroit de formation. Conformément à cela, les sections des éléments de serrage sont à nouveau diminuées. Dans le cas limite, apparaît même la possibilité de déplacer la position des éléments de serrage au w moins en partie derrière I« Selon une autre version de la présente invention, les éléments de serrage maintiennent le corps central de manière interchangeable 20 dans le débit du boîtier, de telle manière qu'un corps central endommagé puisse être remplacé par un corps central identique ou par un autre corps central. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 25 sont mis en évidence au moyen de la présente description d'une tuyère à noyau selon une forme d'exécution de la présente invention sur la base du dessin ci-joint, qui présente une vue de section schématique de la tuyère à noyau. L'unique dessin montre une tuyère à noyau 10 selon une forme d'exécution de la présente invention, qui est monté en aval dans un réacteur de fusée non représenté en détail à même une chambre à vide recevant le réacteur de fusée. La tuyère à noyau 10, dans le cas de laquelle il s'agit d'une tuyère à noyau supersonique, comprend un boîtier 14 en forme de tube défini par un débit 12. Le boîtier est fixé par un palier 16 prévu sur son pourtour extérieur au moyen de vis 18 sur une construction de soutien 20 se prolongeant horizontalement, qui est par exemple une partie d'un io bâtiment. Au centre du débit 12 du boîtier 14, se trouve un corps central 22 formé principalement dans le sens de la longueur, diminuant la section du débit, qui forme le noyau de la tuyère 10 et présente une partie avant 22a en forme de cône et une partie arrière 22b en forme de cône. Le corps central 22 est maintenu par 15 plusieurs éléments de serrage 24 soumis exclusivement à une traction dans le débit 12, qui sont fixés au corps central 22 d'une part et sur le boîtier 14 d'autre part. En ce qui concerne les éléments de serrage 24, il s'agit de câbles de tension dont la longueur est réglable par des vis de serrage posées et prévues sur le boîtier 14. 20 On peut prévoir de manière alternative, au lieu des câbles de tension, des fils de tension, des barres de traction, etc. Les éléments de serrage 24 sont placés de manière décalée dans le sens de l'étirement longitudinal du corps central 22. La disposition représentée, de certains des éléments de serrage 24, en angle ou en 25 croix, peut garantir qu'aussi bien des forces radiales qu'axiale sont absorbées. Durant le fonctionnement du banc d'essai du réacteur de fusée, les gaz d'échappement sortant de la chambre à vide (non représentée) située au-dessus de la tuyère à noyau 10 sont conduits vers le bas dans la tuyère à noyau avec une vitesse du son multiple, comme l'indique la flèche 32. En raison de la diminution de section de débit provoquée par le corps central 22 maintenu dans le débit 12 du boîtier 14, le gaz d'échappement introduit dans le débit 12 dans la tuyère à noyau 10 est ralenti au subsonique de manière contrôlée et est ensuite avec des pertes de pression relativement faibles, affecté à une installation à vide montée en aval de la tuyère à noyau 10, comme il est indiqué dans le cas 34. De cette manière, il est possible de simuler les conditions ambiantes de l'univers ou du vide avec un réacteur en fonctionnement. Dans le cas d'un premier étage éjecteur placé derrière la tuyère à noyau 10, le gaz d'échappement est aspiré et acheminé vers un condensateur raccordé. A cet endroit, le gaz d'échappement est refroidi à l'aide d'eau froide et la part de vapeur d'eau se condense. Le gaz résiduel est aspiré par un autre étage éjecteur et amené complètement à pression ambiante. En raison du fait que le corps central 22 est maintenu dans le débit 22 par des éléments de serrage 24 soumis exclusivement à la trac- tion, lors de la pose des éléments de serrage 24, il n'est pas né- cessaire de prendre en compte des charges de flexion ou charges dues à des problèmes de stabilité, c'est pourquoi les éléments de serrage 24 peuvent être prévus avec de très faibles sections. De telles petites sections ont moins d'influence sur l'écoulement à l'intérieur du débit 12, c'est pourquoi les éléments de serrage 24 ne peuvent pas être nécessairement placés à l'extrémité de la tuyère mais répartis le long du prolongement longitudinal du corps central 22. Une telle répartition des éléments de serrage 24 réduit la valeur des moments produits, car les forces peuvent être absorbées à proximité de l'endroit d'apparition. Cela a également une répercussion positive sur les dimensions de sections nécessaires des éléments de serrage 24. De plus, le corps central 22 est ajusté selon les besoins par les vis de serrage 26 affectées aux éléments de serrage 24, ce qui est valable aussi bien pour le moment du montage de la tuyère à noyau 10 qu'ultérieurement, de telle manière que des ajustements ultérieurs sont possibles. De plus, un remplacement complet de la tuyère à noyau 10 est économiquement réalisable. Il doit être évident que le domaine d'utilisation décrit précédemment de la tuyère à noyau 10 n'est pas limité aux bancs d'essai de is réacteur de fusées. Il est concevable que les avantages de la tuyère à noyau 10 conforme à l'invention sont par exemple égale-ment économiquement applicables dans le cas de pompe à jet de vapeur ou gaz disponibles dans le commerce, en particulier car le coût de fabrication du corps central 22 et des éléments de serrage 20 24 ainsi que le coût de fixation du corps central 22 peuvent être sensiblement réduits. Dans des pompes à jet de vapeur ou gaz de ce type, un gaz est détendu et accéléré à une vitesse élevée. Dans l'utilisation de l'aspiration d'un jet de gaz ayant cette vitesse avec un niveau de pression faible, on ajoute alors au jet de gaz un gaz à 25 incorporer. Un mélange produit de cette manière présentant en outre une vitesse élevée, est lors freiné par une tuyère à noyau supersonique, de telle manière qu'un niveau de pression plus élevé est obtenu. REVENDICATIONS1. Tuyère à noyau (10), en particulier tuyère à noyau supersonique avec un boîtier (14) définissant un débit (12) et corps central maintenu en particulier de manière centrée dans le débit (12), diminuant la section de débit, en particulier de forme longitudinale, caractérisée en ce que le corps central (22) est tenu au moins en partie par des éléments de serrage (24)soumis majoritairement ou io exclusivement à une traction dans le débit (12). 2. Tuyère à noyau (10) selon revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de serrage (24) sont conçus au moins en par- tie en tant que fils de tension et / ou câbles de tension et / ou 15 barres de traction. 3. Tuyère à noyau (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments de serrage (24) sont ajustables pour l'orientation du corps central (22) et/ou sont tenus 20 au niveau du corps central (22). 4. Tuyère à noyau (10) selon l'une de revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments de serrage (24) sont placés de manière intercalée les uns par rapport aux autres dans le 25 sens du prolongement longitudinal du corps central (22). 5. Tuyère à noyau (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments de serrage (24) 2956165 Il tiennent le corps central (22) de manière interchangeable dans le débit du boîtier (14).