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,-CLAPET AERODYNAMIQUE.
On connaît déjà diverses sortes de machines utilisant une combus- tion pulsatoire. Comme exemples de ces machines, on peut citer notamment la turbine de Holzwarth, les cylindres des moteurs à explosion ou à combustion interne et, à une époque plus récente, les propulseurs à réaction des bombes volantes dénommées actuellement pulso-réacteurs. Dans ces appareils, le pro- blème se pose d'obturer suffisamment la tubulure d'admission d'air pendant chaque explosion, de manière à éviter un reflux et une déperdition des gaz à travers cette tubulure. Par contre, aussitôt après l'explosion, l'air doit pouvoir entrer facilement pour permettre le remplissage de la chambre de com- bustion et la formation de la charge fraîche.
Pour cette obturation de la chambre d'explosion on a proposé soit des clapets mécaniques, soit des cla- pets aérodynamiques dénommés parfois détecteurs ; ces derniers organes sont constamment ouverts mais sont conformés de manière telle que leur conducti- bilité pour le flux gazeux diffères selon le sens du parcours.
Les disposi- tifs à clapets mécaniques qui ont été utilisés dans les chambres de combus- tion de la turbine de Holzwarth et,dans les propulseurs des premières bombes volantes et qui le sont encore dans les cylindres de moteurs, ont évidemment l'avantage de donner, au moins théoriquement, une bonne obturationo Toute- fois, si la fréquence de la combustion pulsatoire est assez élevée, il de- vient très difficile de faire passer le flux gazeux à travers des orifices périodiquement démasqués et le débit réel peut être réduit d'une manière pro- hibitive. Au surplus, les organes mécaniques mobiles soumis à l'action des flammes sont fragiles et'leur commande peut entraîner certaines complications.
A ces divers points de vue, les clapets purement aérodynamiques sont préféra- bles, car ils ne comportent aucun organe mobile. Divers dispositifs de cla- pets aérodynamiques ont été proposés jusqu'à ce jour. Certains d'entre eux comportent une chambre tourbillonnaire à parcours centrifuge du fluide dans le sens d'écoulement libre et parcours centripète dans le sens d'écoulement freinée D'autres comportent une série de coupelles ou tuyères dont les bords
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à angles vifs sont inclinés dans le sens du parcours libre de manière à créer dans ce sens le minimum de perte de charge ou, au contraire, une per- te de charge importante en sens inverse. Toutefois, ces appareils entraînent certaines complications d'usinage.
Le dispositif de clapet aérodynamique qui fait l'objet de la pré- sente invention, conçu spécialement pour fonctionner sous l'effet des phénomè- nes transitoires qui se produisent en régime variable pulsatoire, est d'un usinage très simple. De plus, il permet, non seulement de favoriser l'écoule- ment vers la chambre de combustion en freinant l'écoulement en sens inverse, mais aussi de profiter au mieux de la différence positive qui existe, après chaque explosion ou combustion, entre la pression amont ou pression d'alimen- tation et la pression dans la chambre de combustion pour améliorer le remplis-
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sage àe boenorotzeabu,v13.anno.a cbuo.asuiaant. .Il rendr.onW possible une augmentation de rendement.
rendement
Sur des pulso-réacteurs en particulier, appareils qui puisent l'air d'alimentation dans l'atmosphère, il a été constaté que la pression dans la chambre d'alimentation, trèssupérieure à la pression atmosphérique pendant la combustion ou l'explosion, passe très nettement en-dessous de cette pression après la combustion, à la fin de la période d'éjection des gaz. La valeur de la-dépression ainsi réalisée est de l'ordre de 20 pièzes pour une pression atmosphérique de 100 pièzes.
On pourrait penser utiliser une tuyère convergente-divergente, communément désignée sous le nom de venturi, pour réaliser une tubulure d'ad- mission d'air fonctionnant en clapet aérodynamique, car une telle tubulure présenterait, en effet, des perméabilités différentes dans les deux sens d'é- coulement.
On sait,en effet, que l'on peut réaliser une tuyère convergen- te-divergente qui, prenant l'air en amont à la pression atmosphérique, le dé- tend d'abord jusqu'à la pression critique au col (52 pièzes) avec obtention en ce point seulement d'une vitesse égale à la vitesse du son, puis le recom- prime aussitôt dans le divergent en le laissant finalement s'échapper à une pression peu inférieure à la pression atmosphérique. Si donc, la dépression dans la chambre à la fin de la combustion était faible, il serait interessant d'utiliser une telle tuyère qui donnerait un très bon écoulement pour le rem- plissage de la chambre.
Le travail fourni par la détente finale de quelques pièzes serait, en partie, transformé en chaleur par le frottement dans le ven- turi, le reste de ce travail serait représenté par de l'énergie cinétique fi- xée sur l'air sortant du venturi et entrant dans la chambre, énergie cinéti- que d'ailleurs favorable à l'obtention d'une certaine turbulence.et à l'en- tretien du régime de combustion pulsatoire. En sens inverse, la vitesse du son au col pour un écoulement qui ferait passer dans l'atmosphère les gaz en- gendrés dans la chambre pendant la combustion ne serait atteinte que pour une pression dans la chambre supérieure à environ 160 pièzes.
Comme le plus grand débit qu'il soit possible d'obtenir à travers un col à partir de conditions atmosphériques correspond précisément à l'obtention de la vitesse du son au col, le venturi constituerait donc, en raison de sa simplicité, la tubulure d'admission idéale, si la dépression dans la chambre n'excédait pas quelques pièzes. Mais, en réalité, la dépression d'environ 20 pièzes qui existe dans la chambre après le départ des gaz par le tube d'éjection est surabondante pour ce fonctionnement optimum d'un venturi.
Il en est de même du travail de détente correspondant à cette dépression, de sorte que si l'on utilisait un venturi tel quel, on atteindrait dans le divergent à partir du col, un régi- me supersonique avec poursuite de la détente au-delà de la pression critique, la pression ne remontant que dans la partie finale du divergent pour attein- dre la pression dans la chambre et les deux domaines étant séparés dans 'le di- vergent par une onde de choc transformant en chaleur, de façon irréversible, l'excédent du travail de détente réalisé dans la première partie du venturi.
Dans le clapet aérodynamique qui fait l'objet de la présente in- vention, cet inconvénient est évité du fait que l'excédent du travail de dé- tente est, en quelque sorte, mis en réserve pendant la partie de la période
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du fonctionnement pulsatoire où la dépression dans la chambre de combustion est surabondante, pour être restitué sous forme de travail de compression quand la dépression dans la chambre devient insuffisante pour assurer le dé- bit du son au col et même ultérieurement quand la pression dans la chambre dépasse la pression atmosphérique.
.Conformément à l'invention, la. partie divergente finale de la tuyère, reliée à la chambre à alimenter et dont l'angle de divergence peut être aussi grand qu'on le veut sous la seule condition d'éviter des décolle- ments de fluide, est précédée d'un tube cylindrique ou de très petite diver- gence, qui joue le rôle d'accumulateur d'énergie cinétique récupérable et forme l'élément principal du dispositif (on l'appellera dans ce qui suit "tu- be accumulateur")e
Ce tube sera, en général, précédé d'une entrée convergente ser- vant à commencer la détente de l'air entrant et à le mettre en vitesse.
S'il s'agissait d'un écoulement permanent, la.détente commen- cée dans cette entrée convergente et arrêtée dans le tube à sa valeur au col se poursuivrait dans le divergent final avec obtention du régime supersoni- que= Il n'y aurait bien de changé par rapport à ce qui se passerait dans un venturi normal, sinon la perte d'énergie par frottement sur la paroi du tube et le rôle de celui-ci serait plutôt néfaste.
Mais, dans le cas d'un régime variable du type considéré, qui est commandé par les oscillations de pres- sion dans la chambre de combustion, la masse d'air contenue dans le tube ac- cumulateur doit être accélérée en partant d'une vitesse nulle, sous l'effet de la dépression qui se manifeste dans la chambre, avant l'obtention de la vitesse correspondant à un régime d'écoulement supersonique dans la partie divergentè. Il faut donc que la dépression dure un certain temps pour que cette masse d'air passe de sa vitesse nulle à la vitesse du régime perma- nent.
En donnant à la longueur du tube-et, par conséquent, à la masse d'air qu'il renferme une valeur assez grande on peut, dès lors, retarder lé moment où la vitesse de l'écoulement permanent serait atteinte, au-delà- du moment où la pression a suffisamment remonté dans la chambre pour rendre impossi- ble la réalisation de cette vitesse sans toutefois limiter le débit à travers le tube, puisque ce débit est,de toute façon, limité par le régime sonique au col.
Il n'y a plus, dès lors, d'irréversibilité et toute l'énergie ciné- tique accumulée dans la masse d'air qui traverse le tube peut être utilisée pour le remplissage de la chambre de combustion, en étant restituée sous for- me de travail de compression depuis la pression amont jusqu'à une pression supérieure dans la chambre de combustion, le remplissage de celle-ci étant considérablement amélioré.
Toutefois, le divergent final sera, de préférence, plus court que celui qui correspondrait à une transformation complète de l'énergie ciné- tique en travail de compression, car il convient que l'air sortant du diver- gent conserve une énergie cinétique résiduelle de manière à engendrer dans la chambre une turbulence favorable à la combustion.
Comme lorsqu'on passe à l'écoulement supersonique, la perte par irréversibilité est de l'ordre de la troisième puissance de M-l, M étant le nombre de Mach, on peut avoir intérêt, pour augmenter l'énergie accumulable par unité de volume, au prix d'une légère perte, à réaliser un régime d'é- coulement légèrement supersonique avec un nombre de Mach de l'ordre de 1,4 à 1,8 en plaçant un divergent très court avant l'entrée du tube accumula- teur.
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, don- né à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 représente, en coupe axiale en gros trait, un mode de réalisation d'un clapet aérodynamique conforme à l'invention. Sur cette figu- re, ce dispositif est supposé appliqué à une chambre de combustion telle que celle d'un pulso-réacteur dont la partie antérieure est dessinée en trait fin.
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La fige 2 est une vue en coupe d'une variante de réalisation du clapet aérodynamique.
Les fig. 3 et 4 sont des coupes axiales de deux autres varian- tes.
Sur la fige l, on voit en 1 la partie antérieure convergente d'une tuyère et en 2 la partie postérieure divergente de cette tuyère, sépa- rée de la partie convergente par le cylindre accumulateur 3. En 4 se trouve la chambre de combustion pulsatoire à alimenter et en 5 l'injecteur de com- bustible.
On notera que dans cette description les mots "antérieur", "postérieur", "amont" et "aval" se réfèrent au sens d'écoulement qui corres- pond à l'alimentation de la chambre 4 et pour lequel l'air traverse les par- ties dans l'ordre : 1, 3, 2, 4.
Le combustible convenablement choisi, de l'essence de pétrole par exemple, étant injecté d'une manière permanente dans l'injecteur 5, il se produit des explosions successives ou une combustion pulsatoire dans la chambre 4 à une fréquence qui dépend de la fréquence du tuyau sonore que forme cette chambre. L'alimentation pour le démarrage est obtenue, comme on le sait, par le vent relatif qui pénètre à travers la tuyère, dans le cas d'un propulseur à réaction, soit en insufflant de l'air comprimé à travers la tuyère, et en réalisant les premières inflammations dans la chambre au moyen d'une bougie d'allumage.
Les gaz produits à chaque explosion sont éjectés à la partie arrière de la chambre librement ouverte soit pour former un jet propulsif, dans le cas d'un réacteur, soit pour entraîner une roue de turbine.
Le régime de combustion pulsatoire étant atteint, on constate que chaque onde de pression dans la chambre au moment de l'explosion est suivie d'une onde de dépression après l'éjection des gaz. L'importance de cette dépression est telle que si la partie divergente 2 de la tuyère était raccordée directement à la partie convergente 1, l'écoulement de l'air at- mosphérique aspiré à travers la tuyère dans la chambre en dépression, at- teindrait très vite le régime supersonique dans la partie du divergent qui suivrait immédiatement le col, en donnant lieu à des irréversibilités par onde de choc et, par conséquent, à des pertes d'énergie, comme indiqué dans le préambule de la description.
La partie cylindrique 3 permet d'éviter cet inconvénient. En effet, alors qu'en écoulement permanent, le tube 3 serait inutile et même nuisible, ainsi qu'on l'a dit dans le préambule, puisqu'il ne ferait que retarder la détente commencée dans la partie convergente 1 et qui se pour- suivrait dans la partie divergente 2, en régime variable, la masse d'air contenue dans le tube 3 doit être chaque fois accélérée et mise en vites- . se sous l'effet de la dépression régnant dans la chambre 4.
En choisissant le tube 3 suffisamment long, on peut retarder suffisamment le moment où la vitesse de l'air arrivant dans la partie divergente 2 va tendre à pren- dre une valeur supersonique pour que ce franchissement de la vitesse du son ne se produise pas, la dépression ayant, entre temps, cessé dans la chambre 4. L'écoulement n'étant pas supersonique, il n'y a pas d'irréversi- bilité (en négligeant les pertes par frottement). Pendant que la chambre est en dépression, l'air traverse le tube 3 en se détendant. Chaque élément de masse en écoulement vers la chambre transmet ce travail de détente aux élé- ments qui le suivent sous forme d'énergie cinétique. Cette énergie est donc portée par des éléments variables, mais compris'entre l'entrée et la sor- tie du tube 3.
Lorsque la chambre passe en surpression, l'énergie ainsi con- tenue dans le tube 3 est propagée vers l'aval et restituée sous forme de tra- vail de compression aux éléments qui sortent de l'appareil, ce qui permet de poursuivre le remplissage lorsque la combustion est déjà commencée. De ce fait, le dispositif joue le rôle de clapet aérodynamique puisqu'il per- met à l'écoulement de se poursuivre vers la chambre, malgré la montée de la pression dans celle-ci lors du début de la combustion et, d'autre part,
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il permet d'améliorer considérablement le remplissage de la chambre, ce que les clapets aérodynamiques antérieurs ne permettaient pas.
Vers la fin de la combustion, les gaz tendront à s'échapper de l'intérieur de la chambre vers l'atmosphère, mais cet écoulement se trouvera freiné du fait de la longueur même du tube 3 dans lequel les gaz chauds se heurtent à de l'air froid à for- te densité. De ce fait, il y aurait intérêt à augmenter la longueur du tube 3, mais en sens inverse, une trop grande longueur de ce tube serait nuisible, car les gaz brûlés qui remplissent ce tube à la fin de la combustion devrai- ent être réaspirés dans la chambre avant que l'introduction d'air frais soit possible. A ce point de vue, il convient de réduire le volume du tube 3 et l'on se trouve en présence de deux conditions contradictoires, entre lesquel- les il faut faire un compromis.
En général, le tube 3 sera un peu plus long que la partie divergente finale 2, laquelle est, de préférence, déterminée pour assurer une transformation presque complète de l'énergie cinétique en pression lors du remplissage. L'énergie cinétique résiduelle de l'air en- trant dans la chambre est favorable à la réalisation d'une turbulence, no- tamment dans l'angle rentrant 6, qu'il est conseillé de réserver à l'entrée de la chambre, comme la pratique l'a montré, pour favoriser l'entretien du régime pulsatoire de combustion.
L'énergie nécessaire est d'ailleurs relati- vement petiteo
Le cylindre 3 peut être remplacé par un tube à section très lentement croissante ou à faible divergence, par exemple par un tronc de cône ayant un demi-angle au sommet inférieur à 2 ), alors que la divergen- ce de la partie finale 2 peut être aussi grande que possible (demi-angle au sommet de 3 à 7 ), sous la. seule réserve d'éviter des décollementsddeflai- fluide..
Le tube cylindrique 3 peut aussi être remplacé par un tronçon de surface de révolution dont la méridienne serait un arc à grand rayon de courbure (arc de parabole ou d'hyperbole par exemple), de manière à mainte- nir sur une assez grande longueur une section voisine de celle du col.
La figo 2 montre une variante de ce genre.
Entre la partie antérieure convergente 1 et le divergent fi- nal 2 est intercalé le tronçon 3 à petite divergence dont la méridienne est formée par un arc de parabole a-b à grand rayon de courbure (le reste de la parabole est figuré en pointillés, le sommet de la parabole étant en s et son axe en sy.)
Au lieu de se maintenir en régime subsonique, on peut aussi réaliser le dispositif de manière qu'il donne un régime d'écoulement légère- ment supersonique correspondant à un nombre de Mach petit, de l'ordre par exemple de 1,4. Dans ce cas, l'intensité de l'onde de choc et la perte par irréversibilité sont petites et l'on obtient l'avantage d'améliorer le fonc- tionnement du dispositif en clapet puisque l'écoulement supersonique possi- ble dans le sens d'écoulement vers la chambre de combustion ne l'est pas en sens inverse.
Pour cela, comme le montre la fig. 3, on dispose-avant la par- tie cylindrique 3, entre cette partie et l'entrée convergente 1, un court tron- çon divergent 7 déterminé de manière à obtenir le petit nombre de Mach cherché, en donnant une augmentation de la section du col dans un rapport de l'ordre de 1,1.
La variante de la fige 4, ne diffère de la réalisation de la fige 3 que par le fait que le tube accumulateur 3 est légèrement conique au lieu d'être cylindrique, cette légère divergence du tube 3 permettant de com- penser, par augmentation de la vitesse, les pertes par frottement sur la pa- roi du tube 3.
On remarquera que les formes de réalisation des fig. 3 et 4, qui sont les formes préférées, comportent cette particularité d'avoir une méridien- ne ou demi-section qui présente un point d'inflexion en .± au raccordement en- tre le petit divergent 7 et le tube 3.
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Si l'on désigne, en outre, par A le quotient de la section en un point quelconque de l'axe ox par la section au col, les parties 7, 3 et 2 satisfont aux conditions suivantes : - Dans la partie 7 : 1 < A < 1,1 - Dans la partie cylindrique ou légèrement conique 3 : 1,1 < A < 1,3 - Dans le divergent final 2, enfin 1,3 < A à la sortie du divergent final A est, en général, supérieur à 2.
Si, de plus, on trace la droite joignant sur la méridienne les extrémités du tronçon 7, puis la droite joignant les extrémités du tronçon 3, enfin celles joignant les extrémités du tronçon 2, et si l'on désigne par [alpha] , ss , [gamma], les angles respectifs de ces droites avec l'axe de révolution ox, ces angles satisfont-aux relations :
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A titre d'exemple, on peut avoir
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Il va de soi que les modes de réalisations décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemple et qu'ils pourraient être modifiés, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans que l'on sorte pour celà du cadre de la présente invention.
Le dispositif selon l'invention est ap- plicable avec avantage aux pulso-réacteurs décrits dans les demandes de brevets Belges déposées toutes deux par la Demanderesse N 391556 du 13 Mars 1951 et N 391700 du 20 Mars 1951.
REVENDICATIONS.
1 ) Un dispositif de clapet aérodynamique applicable notam- ment pour l'alimentation en air de chambres à explosions ou à combustion pulsatoire, lequel dispositif comporte une tubulure divergente raccordée ou reliée à la machine à alimenter et jouant le rôle du diffuseur pour transformation d'énergie cinétique en travail de compression, cette tubu- lure faisant suite à un tube accumulateur d'énergie cinétique, cylindrique ou à divergence relativement petite qui sert à limiter à une valeur accep- table, de l'ordre de 1,8 ou plus petite, le nombre de Mach maximum atteint par l'air sous l'effet de la dépression dans la chambre entre deux explo- sions ou combustions successives, cette limitation de la vitesse se faisant grâce à l'importance de la masse d'air que renferme ce tube,
masse sur la- quelle est ainsi fixée une énergie cinétique qui peut être restituée pres- que entièrement sous forme de travail de compression pour prolonger l'écou- lement dans la chambre après la période de dépression quand la chambre passe de nouveau en surpression.
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