Brevet FR3069287A1 — publié le 20190125

CHAMBRE DE COMBUSTION POUR TURBOMACHINE A DETONATION ROTATIVE ET TURBOMACHINE A DETONATION ROTATIVE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une chambre de combustion pour turbomachine à détonation rotative, la chambre de combustion comportant une paroi intérieure annulaire et un carter extérieur annulaire, la paroi intérieure et le carter extérieur étant concentriques et s'étendant le long d'un axe longitudinal, le carter extérieur entourant la paroi intérieure, la paroi intérieure et le carter extérieur délimitant entre eux une cavité de détonation. L'invention concerne également une turbomachine comprenant une telle chambre de combustion. L'invention s'applique au domaine de la propulsion des aéronefs. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les turbomachines (turbomoteur, turbofan, turbopropulseur, etc.) dont le fonctionnement repose sur une combustion par détonation, encore appelées « turbomachines à détonation », présentent une consommation en carburant significativement inférieure à la consommation des turbomachines dont le fonctionnement repose sur une combustion par déflagration, ici appelées « turbomachines conventionnelles », typiquement 10% à 20% moindre. Les turbomachines conventionnelles fonctionnent selon un cycle thermodynamique communément appelé « cycle de Brayton », la combustion étant réalisée à pression constante (isobare) et dans un régime de déflagration (propagation du front de combustion via la diffusion moléculaire et thermique). Dans les turbomachines à détonation, la combustion est réalisée dans un régime de détonation, dans lequel s'opère une propagation d'un front de combustion via 2 un couplage entre une onde de choc et la zone de réaction chimique. Le cycle thermodynamique correspondant est habituellement attribué à Fickett et Jacobs. Un type particulier de turbomachines à détonation est dit « à détonation rotative ». Dans une turbomachine à détonation rotative, la détonation est initiée une fois, 5 et est maintenue, généralement tournante, sous forme d'une onde de détonation se propageant circonférentiellement dans une chambre de combustion annulaire, la chambre de combustion étant classiquement alimentée axialement en carburant. Néanmoins, de telles turbomachines ne donnent pas entière satisfaction. En effet, dans de telles turbomachines à détonation rotative, les gaz issus 10 de la combustion sont généralement expulsés à une vitesse supersonique, et sont susceptibles de perturber, notamment en raison de chocs et de frottements, le fonctionnement d'une turbine disposée en aval de la chambre de combustion par rapport au sens d'écoulement desdits gaz pour entraîner un compresseur de la turbomachine grâce à l'énergie mécanique des gaz. 15 Ceci est préjudiciable pour le rendement de la turbine. Un but de l'invention est donc de proposer une turbomachine qui résout ces problèmes. EXPOSÉ DE L'INVENTION 20 A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de combustion du type précité, la chambre de combustion comportant, en outre, un transducteur électromécanique, le transducteur électromécanique comprenant au moins une surface active, le transducteur électromécanique étant agencé de sorte que la surface active soit disposée dans la cavité de détonation, le transducteur électromécanique étant adapté pour 25 générer de l'énergie électrique lorsqu'une force pressante est exercée sur la surface active du transducteur électromécanique. En effet, le transducteur électromécanique est apte à récupérer l'énergie mécanique du front de détonation, et est donc propre à remplir la fonction de récupération d'énergie mécanique usuellement assurée par une turbine. 3 A cet effet, en fonctionnement, le transducteur électromécanique subit une force exercée par l'onde de détonation rotative dans la chambre de combustion et une déformation, c'est-à-dire un travail mécanique. Sous l'effet dudit travail mécanique, le transducteur électromécanique génère de l'énergie électrique par effet piézo-électrique. 5 La récupération de l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique permet de s'affranchir du besoin d'équiper la turbomachine d'une turbine en aval de la chambre de combustion par rapport au sens d'écoulement des gaz expulsés par la chambre de combustion. L'absence de turbine induit l'absence d'interactions indésirables entre turbine et gaz d'échappement supersoniques. 10 Le problème technique exposé précédemment est donc bien résolu par l'invention. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la chambre de combustion comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : 15 - le transducteur électromécanique comprend au moins un module piézoélectrique, le module piézoélectrique intégrant ou étant revêtu d'une surface active correspondante du transducteur électromécanique, le module piézoélectrique étant configuré pour produire au moins une partie de l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique lorsqu'une force pressante est exercée sur la surface active 20 correspondante ; - le transducteur électromécanique comporte, pour chaque module piézoélectrique, un revêtement de protection correspondant, chaque revêtement de protection étant agencé entre la cavité de détonation et le module piézoélectrique correspondant pour isoler thermiquement le module piézoélectrique correspondant de la 25 cavité de détonation, au moins une partie du revêtement de protection formant la surface active ; - le module piézoélectrique est un module piézoélectrique annulaire, le module piézoélectrique annulaire s'étendant le long de l'axe longitudinal, le module piézoélectrique annulaire étant concentrique avec la paroi intérieure et le carter extérieur, et étant disposé entre la paroi intérieure et le carter extérieur ; 4 - le transducteur électromécanique comprend une pluralité de modules piézoélectriques disposés entre la paroi intérieure et le carter extérieur, et étant montés circonférentiellement par rapport à l'axe longitudinal pour former au moins une portion d'anneau ; 5 - deux modules piézoélectriques circonférentiellement successifs sont non jointifs pour définir un canal de ventilation entre eux ; - le module piézoélectrique est au contact de l'un parmi le carter extérieur et la paroi intérieure pour délimiter radialement la cavité de détonation, par exemple au contact du carter extérieur ; 10 - la chambre de combustion comprend, en outre, un dispositif d'alimentation configuré pour collecter l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique, et pour produire, à partir de l'énergie électrique reçue en provenance du transducteur électromécanique, un signal électrique de sortie présentant des caractéristiques prédéterminées. 15 En outre, l'invention a pour objet une turbomachine comprenant une chambre de combustion telle que définie ci-dessus, la turbomachine comprenant, en outre, un compresseur agencé en amont de la chambre de combustion par rapport à un sens normal d'écoulement de gaz dans la turbomachine, la turbomachine comportant également une machine électrique mécaniquement couplée au compresseur, le dispositif 20 d'alimentation étant configuré pour appliquer le signal électrique de sortie à la machine électrique afin d'alimenter la machine électrique pour entraîner le compresseur en rotation. Suivant un autre aspect avantageux de l'invention, la turbomachine comporte une tuyère agencée directement en aval de la chambre de combustion par 25 rapport au sens normal d'écoulement de gaz. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins 5 annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une turbomachine selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation en section d'un premier mode de réalisation d'une chambre de combustion de la turbomachine de la figure 1, dans un plan 10 Il-Il de la figure 2, orthogonal à un axe longitudinal de la chambre de combustion ; et - la figure 3 est une représentation en section d'un deuxième mode de réalisation d'une chambre de combustion de la turbomachine de la figure 1, dans un plan orthogonal à un axe longitudinal de la chambre de combustion. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Une turbomachine 2 selon l'invention est schématiquement illustrée par la figure 1. La turbomachine 2 est destinée à équiper un aéronef (non représenté) pour assurer sa propulsion. 20 La turbomachine 2 est du type « turbomachine à détonation rotative ». La turbomachine 2 comporte un compresseur 4 et une chambre de combustion 6 à détonation rotative. La turbomachine 2 comporte, en outre, une machine électrique 8 et une tuyère 10. Le compresseur 4 est configuré pour comprimer de l'air admis au niveau 25 d'une entrée d'air 12 de la turbomachine 2. La chambre de combustion 6 est configurée pour recevoir l'air comprimé fourni par le compresseur 4, ainsi que du carburant depuis une réserve de carburant 13, et pour permettre la combustion du carburant par détonation rotative. 5 6 La machine électrique 8 est configurée pour entrer en rotation lorsqu'elle est alimentée en énergie électrique. En outre, la machine électrique 8 est mécaniquement couplée au compresseur 4 pour entraîner le compresseur 4 en rotation. La tuyère 10 est agencée directement en aval de la chambre de 5 combustion 6 par rapport à un sens normal d'écoulement de gaz, depuis le compresseur 4 vers la tuyère 10. La tuyère 10 est destinée à permettre l'expulsion des gaz d'échappement produits lors de la combustion du carburant dans la chambre de combustion 6. Comme illustré par la figure 2, la chambre de combustion 6 comporte une paroi intérieure 14 annulaire et un carter extérieur 16 annulaire. Chacun de la paroi 10 intérieure 14 et du carter extérieur 16 s'étend le long d'un axe longitudinal. La paroi intérieure 14 et le carter extérieur 16 sont concentriques, de sorte que leurs axes longitudinaux respectifs sont confondus en un axe longitudinal portant la référence X-X. Le carter extérieur 16 entoure la paroi intérieure 14, de sorte que la paroi intérieure 14 et le carter extérieur 16 délimitent entre eux une cavité de détonation 18. La 15 cavité de détonation 18 est annulaire. La cavité de détonation 18 est configurée pour recevoir le carburant, en provenance de la réserve de carburant 13, et l'air comprimé, en provenance du compresseur 4, pour permettre la combustion du carburant par détonation rotative. Dans ce cas, en fonctionnement, un front de détonation 20, représenté par un segment radial 20 sur la figure 2, se propage circonférentiellement dans la cavité de détonation 18. Le front de détonation 20 est notamment caractérisé par une surpression locale. Ladite surpression présente une valeur très supérieure à la pression régnant dans la cavité de détonation 18 à distance du front de détonation 20, par exemple une valeur de l'ordre de la centaine d'atmosphères. 25 La chambre de combustion 6 comporte, en outre, un transducteur électromécanique 22 et un dispositif d'alimentation 23 électriquement reliés entre eux. Le transducteur électromécanique 22 est configuré pour générer de l'énergie électrique à partir d'un travail mécanique subi par ledit transducteur électromécanique 22. 7 Le dispositif d'alimentation 23 est configuré pour collecter l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique 22. Le dispositif d'alimentation 23 est également configuré pour produire un signal électrique de sortie présentant des caractéristiques prédéterminées. De préférence, le dispositif d'alimentation 23 est 5 également configuré pour stocker l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique 22. Le transducteur électromécanique 22 comprend au moins une surface active 24 et au moins un module piézoélectrique 26. Par exemple, comme illustré sur la figure 2, le transducteur électromécanique 22 comprend une pluralité de surfaces actives 10 24 et une pluralité de modules piézoélectriques 26. Chaque surface active 24 est adaptée pour subir une force pressante exercée par le front de détonation 20. Chaque module piézoélectrique 26 est associé à une surface active 24 correspondante. Plus spécifiquement, chaque module piézoélectrique 26 est revêtu de la 15 surface active 24 correspondante. En outre, chaque module piézoélectrique 26 comporte deux bornes électriques 28. Les modules piézoélectriques 26 sont agencés dans la cavité de détonation 18, c'est-à-dire entre la paroi intérieure 14 et le carter extérieur 16. Plus 20 particulièrement, les modules piézoélectriques 26 sont agencés dans la cavité de détonation 18 de sorte que les surfaces actives 24 correspondantes soient disposées dans la cavité de détonation 18 afin de subir une force pressante exercée par le front de détonation 20. Par exemple, comme illustré par la figure 2, les modules piézoélectriques 25 26 sont montés circonférentiellement par rapport à l'axe longitudinal X-X pour former au moins une portion d'anneau, de préférence un anneau continu ou discontinu. De préférence, chaque module piézoélectrique 26 est au contact de l'un parmi le carter extérieur 16 et la paroi intérieure 14 pour délimiter radialement la cavité de détonation 18, par exemple au contact du carter extérieur 16. 8 Chaque module piézoélectrique 26 est configuré pour produire de l'énergie électrique, disponible au niveau de ses bornes électriques 28. En particulier, chaque module piézoélectrique 26 est configuré pour produire tout ou partie de l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique 22. Plus précisément encore, 5 chaque module piézoélectrique 26 est configuré pour générer, par effet piézo-électrique, une tension et un courant entre ses bornes électriques 28, formant un signal électrique d'entrée, lorsqu'un travail mécanique est subi par la surface active 24 correspondante. De cette façon, en fonctionnement, chaque module piézoélectrique 26 est configuré pour produire au moins une partie de l'énergie électrique générée par le transducteur 10 électromécanique 22 lorsqu'un travail mécanique est subi par la surface active 24 correspondante. Avantageusement, le transducteur électromécanique 22 comprend, en outre, un revêtement de protection 30 associé à chaque module piézoélectrique 26. Plus précisément, le module piézoélectrique 26 est revêtu du revêtement de protection 30 15 correspondant. Le revêtement de protection 30 est agencé entre la cavité de détonation 18 et le module piézoélectrique 26 correspondant pour isoler thermiquement le module piézoélectrique 26 correspondant de la cavité de détonation 2. Dans ce cas, au moins une partie du revêtement de protection 30 revêtant un module piézoélectrique 26 donné forme 20 la surface active 24 correspondante. En variante, en l'absence de revêtement de protection 30, un module piézoélectrique 26 intègre la surface active 24 correspondante. Plus précisément, la surface active 24 correspond à la surface du module piézoélectrique 26 affleurant dans la cavité de détonation 18. 25 De préférence, deux modules piézoélectriques 26 circonférentiellement successifs sont non jointifs pour définir un canal de ventilation 32 entre eux. Dans ce cas, la chambre de combustion 6 comprend, en outre, des moyens propres à amener de l'air comprimé depuis le compresseur 4 vers les canaux de ventilation 32. Le dispositif d'alimentation 23 est électriquement connecté aux bornes 30 électriques 28 de chaque module piézoélectrique 26. 9 Le dispositif d'alimentation 23 comporte un circuit de conditionnement électrique 34, une unité de stockage 36 et un circuit de mise en forme 38. Le circuit de conditionnement électrique 34 est, notamment, configuré pour redresser et filtrer le signal électrique d'entrée. 5 L'unité de stockage 36 est configurée pour recevoir de l'énergie électrique en provenance du circuit de conditionnement électrique 34, et pour stocker ladite énergie électrique. Le circuit de mise en forme 38 est configuré pour recevoir de l'énergie électrique depuis l'unité de stockage 36 et/ou depuis le circuit de conditionnement 10 électrique 34, et pour générer un signal électrique de sortie présentant des caractéristiques prédéterminées. De telles caractéristiques sont, par exemple, une tension nominale et/ou un courant nominal d'alimentation de la machine électrique 8. Une variante de la chambre de combustion 6 est représentée sur la figure 3. 15 La chambre de combustion 6 de la figure 3 diffère de la chambre de combustion 6 de la figure 2 en ce qu'elle comporte un transducteur électromécanique 22 comprenant un module piézoélectrique 26 annulaire. Le module piézoélectrique 26 annulaire s'étend le long de l'axe longitudinal X-X, le module piézoélectrique 26 annulaire étant concentrique avec la paroi 20 intérieure 14 et le carter extérieur 16, et étant disposé entre la paroi intérieure 14 et le carter extérieur 16. Le fonctionnement de la turbomachine 2 selon l'invention va maintenant être décrit. Lors de la mise en route de la turbomachine 2, du carburant est acheminé 25 depuis la réserve de carburant 13 vers la cavité de détonation 18. En outre, la machine électrique 8 est alimentée en énergie électrique par l'intermédiaire de l'unité de stockage 36 et du circuit de mise en forme 38 du dispositif d'alimentation 23. La machine électrique 8 entraîne en rotation le compresseur 4 afin d'alimenter la cavité de détonation 18 en air comprimé. 10 Puis, une détonation est créée dans la cavité de détonation 18 afin d'engendrer un front de détonation 20 circonférentiellement rotatif dans la cavité de détonation 18. Un tel front de détonation 20 se déplace typiquement à une vitesse de plusieurs Mach, par exemple de l'ordre de Mach 2. 5 Lors de son déplacement, le front de détonation 20 exerce une force pressante successivement sur les surfaces actives 24, et donc sur les modules piézoélectriques 26. Sous l'effet de la force pressante exercée par le front de détonation 20, chaque module piézoélectrique 26 se déforme, entraînant l'apparition d'une tension 10 électrique entre ses bornes électriques 28, c'est-à-dire que chaque module piézoélectrique 26 soumis à un travail mécanique sous l'effet du front de détonation 20 génère, par effet piézo-électrique, de l'énergie électrique disponible à ses bornes électriques 28 sous forme d'un signal électrique d'entrée. Le dispositif d'alimentation 23 collecte le signal électrique d'entrée et, 15 traite, au niveau du circuit de conditionnement électrique 34, le signal électrique d'entrée collecté. En particulier, le circuit de conditionnement électrique 34 filtre et redresse le signal électrique d'entrée disponible entre les bornes électriques 28 de chaque module piézoélectrique 26. En effet, un tel signal électrique présente une fréquence de 20 l'ordre de quelques kilohertz. Ceci est dû au fait que, pour une cavité de détonation 18 présentant un rayon de l'ordre de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres, et en raison de la grande vitesse de propagation du front de détonation 20, chaque module piézoélectrique 26 subit la force pressante exercée par le front de détonation 20 quelques milliers de fois par seconde. 25 Puis, l'unité de stockage 36 stocke l'énergie électrique correspondante. Puis, le circuit de mise en forme 38 prélève de l'énergie électrique au niveau de l'unité de stockage 36 afin de générer le signal électrique de sortie destiné à alimenter la machine électrique 8. Le signal électrique de sortie est acheminé vers la machine électrique 8 30 afin de maintenir la machine électrique 8 en fonctionnement. La machine électrique 8 11 continue d'entraîner le compresseur 4 en rotation pour alimenter la chambre de combustion 6 en air comprimé. En outre, les canaux de ventilation 32 sont alimentés en air comprimé provenant du compresseur 4, pour refroidir les modules piézoélectriques 26. 5 Une telle turbomachine 2 selon l'invention REVENDICATIONS1. Chambre de combustion (6) pour turbomachine (2) à détonation rotative, la chambre de combustion (6) comportant une paroi intérieure (14) annulaire et un carter extérieur (16) annulaire, la paroi intérieure (14) et le carter extérieur (16) étant concentriques et s'étendant le long d'un axe longitudinal (X-X), le carter extérieur (16) entourant la paroi intérieure (14), la paroi intérieure (14) et le carter extérieur (16) délimitant entre eux une cavité de détonation (18), la chambre de combustion (6) étant caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un transducteur électromécanique (22), le transducteur électromécanique (22) comprenant au moins une surface active (24), le transducteur électromécanique (22) étant agencé de sorte que la surface active (24) soit disposée dans la cavité de détonation (18), le transducteur électromécanique (22) étant adapté pour générer de l'énergie électrique lorsqu'une force pressante est exercée sur la surface active (24) du transducteur électromécanique (22). 2. Chambre de combustion (6) selon la revendication 1, dans laquelle le transducteur électromécanique (22) comprend au moins un module piézoélectrique (26), le module piézoélectrique (26) intégrant ou étant revêtu d'une surface active (24) correspondante du transducteur électromécanique (22), le module piézoélectrique (26) étant configuré pour produire au moins une partie de l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique (22) lorsqu'une force pressante est exercée sur la surface active (24) correspondante. 3. Chambre de combustion (6) selon la revendication 2, dans laquelle le transducteur électromécanique (22) comporte, pour chaque module piézoélectrique (26), un revêtement de protection (30) correspondant, chaque revêtement de protection (30) 13 étant agencé entre la cavité de détonation (18) et le module piézoélectrique (26) correspondant pour isoler thermiquement le module piézoélectrique (26) correspondant de la cavité de détonation (18), au moins une partie du revêtement de protection (30) formant la surface active (24). 5 4. Chambre de combustion (6) selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans laquelle le module piézoélectrique (26) est un module piézoélectrique (26) annulaire, le module piézoélectrique (26) annulaire s'étendant le long de l'axe longitudinal (X-X), le module piézoélectrique (26) annulaire étant concentrique avec la paroi intérieure 10 (14) et le carter extérieur (16), et étant disposé entre la paroi intérieure (14) et le carter extérieur (16). 5. Chambre de combustion (6) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le transducteur électromécanique (22) comprend une pluralité de 15 modules piézoélectriques (26) disposés entre la paroi intérieure (14) et le carter extérieur (16), et étant montés circonférentiellement par rapport à l'axe longitudinal (X-X) pour former au moins une portion d'anneau. 6. Chambre de combustion (6) selon la revendication 5, dans laquelle 20 deux modules piézoélectriques (26) circonférentiellement successifs sont non jointifs pour définir un canal de ventilation (30) entre eux. 7. Chambre de combustion (6) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans laquelle le module piézoélectrique (26) est au contact de l'un parmi le carter 25 extérieur (16) et la paroi intérieure (14) pour délimiter radialement la cavité de détonation (18), par exemple au contact du carter extérieur (16). 8. Chambre de combustion (6) selon l'une quelconque des revendications là 7, la chambre de combustion (6) comprenant, en outre, un dispositif d'alimentation (23) configuré pour collecter l'énergie électrique générée par le transducteur électromécanique 14 (22), et pour produire, à partir de l'énergie électrique reçue en provenance du transducteur électromécanique (22), un signal électrique de sortie présentant des caractéristiques prédéterminées. 5 9. Turbomachine (2) comprenant une chambre de combustion (6) selon la revendication 8, la turbomachine (2) comprenant, en outre, un compresseur (4) agencé en amont de la chambre de combustion (6) par rapport à un sens normal d'écoulement de gaz dans la turbomachine (2), la turbomachine (2) comportant également une machine électrique (8) mécaniquement couplée au compresseur (4), le dispositif d'alimentation (23) 10 étant configuré pour appliquer le signal électrique de sortie à la machine électrique (8) afin d'alimenter la machine électrique (8) pour entraîner le compresseur (4) en rotation. 10. Turbomachine selon la revendication 9, comportant une tuyère (10) agencée directement en aval de la chambre de combustion (6) par rapport au sens normal 15 d'écoulement de gaz.