Brevet FR3042228A1 — publié le 20170414

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne une chambre de propulsion d'un moteur de fusée et concerne plus particulièrement un système de refroidissement d'une telle chambre. ETAT DE LA TECHNIQUE La figure 1 illustre schématiquement une chambre de combustion d'un moteur-fusée comprenant depuis sa partie supérieure jusqu'à sa partie inférieure une partie cylindrique ou corps de chambre de combustion 1 (là où la combustion en tant que telle a lieu), une partie 2 convergente, et une partie 4 divergente. La jonction entre la partie 4 convergente et la partie divergente 4 correspond au col 3 de la chambre de combustion (à section minimale). Au cours du fonctionnement de la chambre de propulsion, des gaz chauds sont produits par combustion du comburant et combustible dans le corps de chambre 1 puis sont détendus dans la partie divergente 4. Ces gaz peuvent atteindre des températures élevées, typiquement jusqu'à 3500 °K, et peuvent nuire à l'intégrité des parois de la chambre de propulsion. Aussi, de manière classique le corps de chambre 1, la partie convergente 2, le col 3 et le divergent 4 sont constitués par une paroi interne 1', 2', 3', 4' et une paroi externe 1", 2", 3", 4" qui délimitent une cavité 5 (appelée circuit de refroidissement) (zone hachurée sur la figure 1) à l'intérieur de laquelle on fait circuler un fluide caloporteur qui permet de refroidir la paroi de la chambre. Ainsi, l'extraction de flux thermique de la chambre de propulsion est cruciale dans le bon fonctionnement de cette dernière, puisqu'il permet d'assurer son refroidissement en maintenant ses parois à des températures acceptables du point de vue de sa tenue thermomécanique. Par ailleurs, pour certains cycles moteurs intégrés, comme le cycle « expander », le flux thermique extrait du circuit de refroidissement est également utilisé pour faire fonctionner les turbines des turbopompes qui alimentent le moteur. L'efficacité des turbines augmente avec le flux thermique extrait du circuit de refroidissement. Dans ce type de cycle moteur, la maximisation du flux thermique extrait du circuit de refroidissement, à iso-conditions d'alimentation de celui-ci, est donc recherchée, pour accroître la performance globale du moteur. Des dispositifs de type ailettes (en anglais « ribs ») (voir la figure 1B du document US 2006/0219191A1) sont parfois utilisés pour augmenter ce transfert thermique, par l'augmentation de surface de la paroi chaude qu'ils offrent. 3042228 2 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose d'améliorer l'extraction de flux thermique à travers le circuit de refroidissement d'une chambre de propulsion d'un moteur de fusée. A cet effet, l'invention propose un système de propulsion d'une fusée comprenant 5 une chambre de combustion dans laquelle est réalisée une combustion et qui est relié par un col à une partie divergente, et dans laquelle s'écoule des flux de gaz chauds selon un axe longitudinal de la chambre de combustion, la chambre de combustion comprenant une paroi interne et une paroi externe définissant une cavité à l'intérieur de laquelle s'écoule un fluide caloporteur pour refroidir la chambre de combustion ; 10 une pluralité de générateurs de tourbillons d'écoulement situé sur la paroi interne à l'intérieur du corps de chambre de combustion et configurés pour que les flux de gaz chauds s'écoulent de manière tourbillonnante selon l'axe longitudinal le long de la paroi interne afin d'augmenter les transferts thermiques entre les flux de gaz chauds et la paroi interne de la chambre de combustion. 15 L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. Le système comprend en outre des ailettes situées en amont des générateurs de tourbillons, les générateurs de tourbillons étant configurés pour mélanger des flux de gaz chauds de températures différentes obtenus en sortie des ailettes et des interstices inter- 20 ailettes. Le générateur de tourbillons est une pièce en saillie depuis la paroi interne et dirigée vers l'intérieur de la chambre de combustion en faisant un angle non nul par rapport à la paroi interne, le générateur de tourbillons créant des tourbillons longitudinaux selon un axe parallèle à l'axe longitudinal de la chambre de combustion. 25 Le générateur de tourbillon est fait d'une pièce avec la partie interne de la paroi du corps de chambre de combustion. Le générateur de tourbillons est une pièce de forme triangulaire, rectangulaire, prisme. Les générateurs de tourbillons sont disposés en rangée le long de la paroi interne. 30 Les rangées sont décalées les unes par rapport aux autres. Sur une même rangée deux générateurs de tourbillons disposés côte à côte sont parallèles entre eux. Le fluide caloporteur est constitué par un combustible ou un comburant. Les générateurs de tourbillons longitudinaux améliorent l'extraction de flux 35 thermique par 'augmentation du coefficient d'échange convectif, contrairement aux « ribs » 3042228 3 et aux technologies équivalentes, qui utilisent l'augmentation de la surface d'échange pour améliorer l'extraction de flux. Le réseau de générateurs de tourbillons longitudinaux a l'avantage de générer en proche paroi un écoulement moins hétérogène thermiquement que les configurations avec ailettes, permettant une meilleure efficacité moyenne sur l'ensemble 5 de la chambre en termes d'amélioration du flux thermique extrait, ainsi qu'un impact moindre sur la tenue thermomécanique de la paroi chaude de la chambre (via des gradients thermiques circonférentiels moindres). PRESENTATION DES FIGURES 10 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre la figure 1 déjà discutée : - les figures 2a et 2b illustrent des vues détaillées d'un corps de chambre de combustion d'un système de propulsion ; 15 - la figure 3 illustre une vue d'un générateur de tourbillons longitudinaux dans une chambre de combustion d'un système de propulsion ; - la figure 4 illustre plusieurs rangées de générateurs de tourbillons longitudinaux dans une chambre de combustion d'un système de propulsion ; - les figures 5 et 6 illustrent différents types de générateur de tourbillons. 20 Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En relation avec les figures 2a et 2b, un système de propulsion du type de celui décrit en relation avec la figure 1, comprend, pour augmenter les transferts thermiques entre les gaz 25 chauds et le fluide circulant dans la cavité 5 de la chambre 1 de combustion, des générateurs 10 de tourbillons longitudinaux (en anglais, « longitudinal vortex generator ») d'écoulement situé sur la paroi 1' interne à l'intérieure lter de la chambre 1 de combustion. Ces générateurs de tourbillons 10 peuvent être utilisés seuls (figure 2a) ou en combinaison avec des « ribs » 20 (figure 2b) de type de ceux décrits dans le document US 30 2006/0219191A1. Dans ce dernier cas, les générateurs de tourbillons sont situés en aval des « ribs » selon le sens d'écoulement des gaz chauds et permettent le mélange des courants de gaz chauds de températures différentes obtenus en sortie des « ribs » et en sortie des interstices inter-« ribs ». En effet , en l'absence de générateurs de tourbillons longitudinaux en sortie des « ribs », l'augmentation des échanges thermiques obtenue grâce 35 à l'augmentation de surface d'échange des « ribs » dans la partie cylindrique de la chambre 3042228 4 de combustion est partiellement perdue dans la zone située en aval des « ribs », du fait de la présence de courants de gaz plus chauds et plus froids respectivement en face des « ribs » et dans les interstices inter-« ribs ». Ainsi, dans cette configuration, les générateurs de tourbillons améliorent les 5 performances en termes d'amélioration d'extraction du flux thermique par rapport à la configuration avec « ribs » seuls. Les générateurs 10 de tourbillons sont configurés pour que les gaz chauds GC s'écoulant dans la chambre 1 de combustion, lorsqu'ils rencontrent un générateur 10 de tourbillons, créent des tourbillons 100 longitudinaux selon une direction générale selon l'axe 10 longitudinal AA le long de la paroi interne afin d'augmenter les transferts thermiques entre les gaz chauds et la paroi. En particulier, un tourbillon longitudinal est un enroulement de lignes de courant partant du bord de fuite et du bord d'attaque du générateur de tourbillon. L'enroulement moyen de ces lignes de courant se fait autour de l'axe BB comme indiqué sur la figure 3. 15 Les générateurs de tourbillons permettent d'augmenter le coefficient d'échange convectif au niveau de la paroi 1' de la chambre de combustion 1.Le coefficient d'échange convectif caractérise le transfert thermique entre les gaz chauds et la paroi. L'utilisation de générateur de tourbillons permet d'augmenter le transfert thermique sans augmenter la surface d'échange (comme c'est le cas avec l'utilisation de « ribs »). 20 En particulier, lorsqu'utilisés avec des « ribs », les générateurs de tourbillons sont configurés pour mélanger des courants de gaz chauds de températures différentes obtenus en sortie des ailettes et en sortie des interstices inter-ailettes. Comme cela est visible sur la figure 4, les générateurs 10 de tourbillons sont de préférences disposés par rangées R1, R2, R3 le long de la paroi interne 1' de la chambre 1 25 de combustion. Des rangées consécutives peuvent être décalées mais ce n'est pas obligatoire. La disposition en rangées des générateurs de tourbillons permet de régénérer les tourbillons au fur et à mesure de la progression des gaz chauds dans la chambre 1 de combustion. 30 Sur une même rangée les générateurs 10 de tourbillons peuvent être parallèles entre eux, mais en général si un générateur à un angle oc positif par rapport à l'axe de l'écoulement, les deux plus proches ont un angle de signe négatif Les générateurs de tourbillons peuvent être tous identiques mais ce n'est pas obligatoire. Le générateur de tourbillons est de préférence une pièce en saillie depuis la 35 paroi interne 1' et dirigé vers l'intérieur 1ter de la chambre 1 de combustion en faisant un 3042228 5 angle 0( non nul par rapport au sens de l'écoulement correspondant à l'axe de la chambre 1', le générateur de tourbillons créant des tourbillons longitudinaux selon un axe BB parallèle à l'axe longitudinal AA de la chambre 1 de combustion (voir la figure 3). En outre, pour éviter d'avoir des points de connexion (type points de soudure), les générateurs de tourbillons sont 5 faits d'une pièce avec la paroi interne de la chambre 1 de combustion. Le générateur de tourbillon peut prendre diverses formes : - Une forme triangulaire (figure 3) ; - une forme de cale triangulaire (figure 5) d'épaisseur h de longueur I et de largeur L et en saillie depuis la paroi interne selon un angle 0( ; 10 - Une forme rectangulaire (figure 6) de longueur e et de largeur e et en saillie depuis la paroi interne selon un angle a. Les dimensions et la position des générateurs sont choisies de manière à ce que : - l'intensité du tourbillon soit suffisante pour augmenter l'intensité du coefficient d'échange convectif et donc le transfert thermique ; 15 - les générateurs de tourbillons ne soient pas dégradés par les phénomènes de combustion du matériau composant le générateur de tourbillon (érosion) ; - la tenue mécanique du corps de chambre ne soit pas altérée par des points chauds (l'augmentation de la température de la paroi interne due à l'augmentation des échanges convectifs côté chaud reste limitée) ; 20 - la jonction entre le corps de chambre et les générateurs de tourbillons soit garantie. - ils soient positionnés dans les zones de la chambre les plus pertinentes. On pourra ainsi utiliser des promoteurs de tourbillons dans la partie cylindrique ou encore en entrée de la partie convergente afin de mélanger le fluide en paroi (pour le rendre 25 plus homogène). REVENDICATIONS1. Système de propulsion d'une fusée comprenant une chambre (1) de combustion dans laquelle est réalisée une combustion et qui est relié par un col (2) à une partie (4) divergente, et dans laquelle s'écoule des flux de gaz chauds (GC) selon un axe longitudinal (AA) de la chambre (1) de combustion, la chambre (1) de combustion comprenant une paroi interne (1') et une paroi externe (1") définissant une cavité (5) à l'intérieur de laquelle s'écoule un fluide caloporteur pour refroidir la chambre (1) de combustion ; une pluralité de générateurs (10) de tourbillons d'écoulement situé sur la paroi (1') interne à l'intérieur (ibis) du corps de chambre (1) de combustion et configurés pour que les flux de gaz chauds s'écoulent de manière tourbillonnante selon l'axe longitudinal (AA) le long de la paroi interne afin d'augmenter les transferts thermiques entre les flux de gaz chauds et la paroi interne de la chambre (1) de combustion. 2. Système de propulsion selon la revendication 1, comprenant en outre des ailettes (20) situées en amont des générateurs de tourbillons, les générateurs de tourbillons étant configurés pour mélanger des flux de gaz chauds de températures différentes obtenus en sortie des ailettes et des interstices inter-ailettes. 3. Système de propulsion selon la revendication 1, dans lequel le générateur de tourbillons est une pièce en saillie depuis la paroi interne (1') et dirigée vers l'intérieur (ibis) de la chambre (1) de combustion en faisant un angle (a) non nul par rapport à la paroi interne (1'), le générateur de tourbillons créant des tourbillons longitudinaux selon un axe (BB) parallèle à l'axe longitudinal de la chambre (1) de combustion. 4. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le générateur de tourbillon est fait d'une pièce avec la partie interne de la paroi du corps de chambre de combustion. 5. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le générateur (10) de tourbillons est une pièce de forme triangulaire, rectangulaire, prisme. 3042228 7 6. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les générateurs de tourbillons sont disposés en rangée le long de la paroi interne. 7. Système de propulsion selon la revendication précédente, dans lequel les rangées sont 5 décalées les unes par rapport aux autres. 8. Système de propulsion selon l'une des revendications 6 à 7, dans lequel sur une même rangée deux générateurs de tourbillons disposés côte à côte sont parallèles entre eux. 10 9. Système de propulsion selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le fluide caloporteur est constitué par un combustible ou un comburant.