Brevet FR3033882A1 — publié le 20160923

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des générateurs de gaz. Elle vise plus précisément, mais non exclusivement, les générateurs de gaz utilisés pour l'actionnement de turbines. De tels générateurs de gaz peuvent par exemple être utilisés comme dispositifs de démarrage ou de secours pour des turbines telles que celles présentes dans des moteurs d'hélicoptères ou des propulseurs. Des générateurs de gaz peuvent être également utilisés pour entraîner des turbopompes ou pour déployer des coussins gonflables de sécurité plus connus sous le nom de « airbags ». Un générateur de gaz comprend un réservoir contenant une quantité déterminée de propergol solide ou liquide qui, en brûlant, génère un écoulement gazeux qui est éjecté du réservoir afin d'alimenter le dispositif ou l'appareil associé (ex. turbine, airbag, etc.). Dans le cas d'un dispositif de démarrage ou de secours embarqué dans un aéronef, l'encombrement et la masse du générateur de gaz doivent être minimisés au maximum afin de ne pas pénaliser les performances du ou des moteurs. C'est également le cas pour les dispositifs d'airbags qui doivent pouvoir s'intégrer dans des espaces très réduits à l'intérieur d'un véhicule avec en outre une exigence de simplicité de structure et de fonctionnement afin de maîtriser le coût global du dispositif. Ces exigences ne permettent pas d'équiper les générateurs de gaz avec des systèmes de contrôle actifs permettant de réguler le débit de l'écoulement et/ou la pression des gaz en sortie du réservoir. Or, il existe un besoin pour disposer de générateurs de gaz à 30 faible masse et encombrement, ces générateurs devant en outre présenter une conception simple tout en assurant un contrôle fiable du débit de gaz. Objet et résumé de l'invention A cet effet, la présente invention propose un générateur de gaz 35 comprenant un réservoir de propergol, le réservoir étant relié à une conduite d'alimentation par une tuyère convergente-divergente 3033882 2 comprenant un premier col sonique, ladite conduite d'alimentation étant fermée du côté opposé à la tuyère par un deuxième col sonique par lequel débouchent des gaz issus de la combustion du propergol, générateur dans lequel le rapport entre la section du deuxième col et la section du premier 5 col est supérieur à 1. L'architecture double-col ainsi que le rapport de section entre les deux cols selon l'invention permet de générer et de maintenir une onde de choc à front droit, encore appelée « choc droit », dans le divergent de la tuyère, c'est-à-dire en aval de la section du premier col. 10 Cela permet de découpler le fonctionnement du premier système formé par le réservoir de propergol muni de la tuyère convergente-divergente du fonctionnement du deuxième système constitué par la conduite d'alimentation et le deuxième col. Il est ainsi possible de faire fonctionner de manière amorcée les deux systèmes (écoulement sonique dans les 15 deux cols) avec une pression génératrice différente dans le réservoir et la conduite d'alimentation, et ce tout en assurant un débit massique constant en sortie du deuxième col. Le premier col de la tuyère convergente-divergente peut être dimensionné pour régler le fonctionnement balistique du générateur, à 20 savoir la pression dans le réservoir et le débit massique en sortie de de la tuyère qui est conservé en sortie du deuxième col. La pression génératrice dans la conduite d'alimentation est réglée par le deuxième col et par la stabilisation d'un choc droit dans le divergent de la tuyère. Le choc droit stabilisé dans le divergent de la tuyère a également pour effet de faire 25 passer l'écoulement d'un régime supersonique à un régime subsonique dans la conduite d'alimentation. Selon un premier aspect du générateur de gaz de l'invention, le réservoir de celui-ci contient un ou plusieurs chargements de propergol solide. Il est ainsi possible de disposer d'un générateur de gaz totalement équipé en vue d'un fonctionnement à débit contrôlé et qui peut être embarqué en toute sécurité dans des systèmes jusqu'à son utilisation. Selon un deuxième aspect du générateur de gaz de l'invention, chaque chargement de propergol solide présente une géométrie apte à ajuster le débit d'écoulement de gaz en sortie de la conduite d'alimentation, ce qui permet de minimiser l'encombrement et la masse du générateur de gaz. Au moins une portion de chaque chargement de 3033882 3 propergol solide peut être inhibée de manière à mieux contrôler la combustion de chaque chargement. Selon un troisième aspect du générateur de gaz de l'invention, le deuxième col présente une section variable. La variation de la section 5 du deuxième col, dans des proportions limitées comme indiquées plus loin, n'a pas d'impact sur le débit massique qui reste constant en sortie du deuxième col. L'invention a également pour objet un dispositif d'assistance d'un système propulsif d'un hélicoptère monomoteur comprenant un 10 turbomoteur relié à une boîte de transmission de puissance adaptée pour entraîner un rotor, le dispositif comprenant une turbine d'entrainement en rotation d'un arbre de sortie relié mécaniquement à la boîte de transmission de puissance, et un générateur de gaz selon l'invention, l'entrée de la turbine d'entraînement étant reliée au deuxième col dudit 15 générateur de gaz de manière à être alimentée avec des gaz d'entraînement. L'invention a encore pour objet un hélicoptère comprenant un dispositif d'assistance selon l'invention. 20 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : 25 - la figure 1 est une vue en coupe d'un générateur de gaz conformément à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique montrant le fonctionnement du générateur de gaz de la figure 1. 30 Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre schématiquement en coupe longitudinale un générateur de gaz, ou générateur de pression, 100 conformément à un mode de réalisation de l'invention. Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » définissent les positions relatives de certains 35 éléments du générateur suivant le sens de l'écoulement des gaz représenté par la flèche E sur la figure 1. Le générateur de gaz 100 3033882 4 comprend une enveloppe 101 entourant un réservoir 110 contenant un chargement propergol solide 111, une protection thermique 112 étant interposée entre la charge 111 et l'enveloppe 101. Le fond 113 du réservoir 110 est traversé par un dispositif d'allumage 114 destinée à 5 initier la combustion du chargement de propergol solide 111. Le dispositif d'allumage 114 peut être par exemple un dispositif du type électropyrotechnique composé d'une étoupille de sécurité et d'une charge relais (non représentée sur la figure 1). Le réservoir 110 est relié dans sa partie aval à une conduite d'alimentation 130 par une tuyère convergente- 10 divergente 120 comprenant un convergent 121 en contact avec la sortie 115 de réservoir 110 et un divergent 122 dont l'extrémité est connectée à la partie amont de la conduite d'alimentation 130, le convergent 121 et le divergent 122 définissant entre eux un premier col 123. La conduite d'alimentation 130 est fermée dans sa partie aval par un deuxième col 15 131. Dans l'exemple décrit ici, le générateur de gaz 100 est destiné à actionner une turbine supersonique 10. Toujours dans l'exemple décrit ici, la turbine supersonique 10 constitue, en combinaison avec le générateur de gaz 100, un dispositif d'assistance d'un système propulsif d'hélicoptère 20 monomoteur. A cet effet, la turbine 10 comprend une roue 11 destinée à être entraînée par les gaz issus du générateur 100, la roue 11 étant solidaire d'un arbre d'entraînement 12 relié à une boîte de transmission de puissance 20 adaptée pour entraîner un rotor d'hélicoptère 30. Dans ce mode de réalisation, le deuxième col 131 est couplé à la buse d'injection 25 13 de la turbine 10. On explique maintenant le fonctionnement du générateur de gaz 100 en relation avec le schéma simplifié de la figure 2. Lorsque c'est nécessaire, par exemple en cas de détection d'une perte de puissance sur l'unique turbomoteur de l'hélicoptère, un calculateur (non représenté sur 30 la figure 2) émet un signal électrique vers l'étoupille dispositif d'allumage 114 qui a pour fonction de transformer cet ordre électrique en ordre pyrotechnique et d'initier la charge relais. Le signal pyrotechnique initié par la charge relais est destiné à allumer le chargement de propergol solide 111 présent dans le réservoir 100 qui forme ici une chambre de 35 combustion. Après allumage du chargement 111, la surface de celui-ci brûle et progresse en produisant des gaz de combustion qui s'échappent 3033882 5 du réservoir en créant un écoulement E. La loi de débit de l'écoulement E est déterminée par la géométrie du ou des chargements et/ou par inhibition totale ou partielle des certaines parties du chargement. Dans l'exemple décrit ici, le chargement 111 présente une géométrie multilobée 5 qui permet d'augmenter la surface de combustion du chargement tout en minimisant l'encombrement et la masse du générateur de gaz (figure 1). Conformément à l'invention, le rapport entre la section A131 du deuxième col 131 et la section A123 du premier col doit être supérieur à 1 soit : 10 A131 A123> 1 Cette architecture à double col ainsi que le rapport de section entre les deux cols tels que défini ci-avant permet la création d'un choc droit Cd qui se stabilise dans le divergent 122 en aval du premier col 123 15 et qui a pour effet de faire passer l'écoulement E d'un régime supersonique au niveau de la sortie du col 123 à un régime subsonique dans la conduite d'alimentation 130. Cette architecture double-col ainsi qu'un rapport de section entre les deux cols tel que défini ci-avant permet de découpler le 20 fonctionnement du premier système formé par le réservoir de propergol 110 muni de la tuyère convergente-divergente 120 du fonctionnement du deuxième système constitué par la conduite d'alimentation 130 et le deuxième col. Le premier col 123 de la tuyère convergente-divergente 120 peut être dimensionné pour régler le fonctionnement balistique du 25 générateur, à savoir la pression Pu . dans le réservoir 110 et le débit massique en sortie de de la tuyère 120 qui est conservé en sortie du deuxième col 131. La pression génératrice Pi2 dans la conduite d'alimentation est réglée par le deuxième col 131 et par la stabilisation du choc droit Cd dans le divergent 122 de la tuyère. 30 Il est ainsi possible de faire fonctionner de manière amorcée les deux systèmes (écoulement sonique dans les deux cols) avec une pression génératrice différente dans le réservoir et la conduite d'alimentation, et ce tout en assurant un débit massique constant en sortie du deuxième col 131. Par conséquent, avec le générateur de gaz de l'invention, le débit 35 massique en sortie du deuxième col 131 peut être conservé même en cas 3033882 6 de variation de la section de ce deuxième col. La variation de la section du deuxième col peut être voulue, c'est-à-dire que la section du col est formée par des éléments mobiles dont les déplacements relatifs sont commandés par un dispositif d'actionnement de manière à rapprocher ou 5 éloigner ces éléments afin d'agir sur la valeur de la section du col. De manière connue, la variation de section de col peut être notamment réalisée avec un système à pointeau ou volet mobile qui permet de moduler la section d'écoulement des gaz au niveau du col. Dans le cas d'un système à double col, la variation de la section du deuxième col 10 permet notamment de réaliser une modulation de vitesse de sortie de turbine supersonique à débit constant ou une modulation de poussée pour un moteur à propergol solide. La variation de la section du deuxième col peut également se produire de manière non contrôlée, comme c'est le cas par exemple 15 lorsqu'un dépôt se forme sur la paroi du col au cours de la combustion du chargement. Dans ce dernier cas, l'obstruction partielle du deuxième col ne modifie par le débit en sortie de celui-ci. La variation de la section du deuxième col est toutefois limitée. En effet, dans le cas d'une diminution de la section du deuxième col, celle- 20 ci doit rester supérieure à la section du premier col pour conserver le rapport de section entre les deux cols tel que défini précédemment. Dans le cas d'une augmentation de la section du deuxième col, celle-ci a pour conséquence de déplacer l'onde de choc plus en aval dans le divergent de la tuyère convergente-divergente. L'augmentation de la 25 section du deuxième col est de préférence limitée à une valeur telle qu'il subsiste toujours un choc droit dans le divergent. La section du deuxième col peut donc être notamment choisie de manière à ce que le rapport entre la section du deuxième col et la section de sortie du divergent soit inférieur à 1. 30 REVENDICATIONS1. Générateur de gaz (100) comprenant un réservoir de propergol (110), le réservoir étant relié à une conduite d'alimentation (130) par une tuyère convergente-divergente (120) comprenant un premier col sonique (123), ladite conduite d'alimentation (130) étant fermée du côté opposé à la tuyère (120) par un deuxième col sonique (131) par lequel débouchent des gaz issus de la combustion du propergol, générateur dans lequel le rapport entre la section (A131) du deuxième col (131) et la section (A123) du premier col (123) est supérieur à 1. 2. Générateur selon la revendication 1, dans lequel le réservoir (110) contient un ou plusieurs chargements de propergol solide (111). 3. Générateur de gaz selon la revendication 2, dans lequel au moins une portion de chaque chargement de propergol solide (111) est inhibée. 4. Générateur de gaz selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième col présente une section variable. 5. Dispositif d'assistance d'un système propulsif d'un hélicoptère monomoteur comprenant un turbomoteur relié à une boîte de transmission de puissance (20) adaptée pour entraîner un rotor (30), le 25 dispositif comprenant une turbine d'entrainement en rotation (10) d'un arbre (12) de sortie relié mécaniquement à la boîte de transmission de puissance (20), et un générateur de gaz (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, l'entrée (13) de la turbine d'entraînement (10) étant reliée au deuxième col (131) dudit générateur de gaz de manière à être 30 alimentée avec des gaz d'entraînement. 6. Hélicoptère comprenant un dispositif d'assistance selon la revendication 5.