[0001] La présente invention concerne une chambre de réacteur, notamment de statoréacteur
ou turboréacteur, et plus particulièrement une chambre du type dans lequel un fluide
est introduit par transpiration à travers une paroi réfractaire poreuse.
[0002] L'utilisation d'un matériau réfractaire poreux dans un tube à réaction de turbopropulseur
est décrite dans le document GB-A-2 089 434 et US-A-2,658,332. Le tube est formé par
un conduit interne en matériau réfractaire poreux à faible densité et un renfort extérieur
dont la présence est nécessaire en raison de l'absence de tenue mécanique du matériau
réfractaire poreux. Ce dernier est formé à partir de fibres en silice et en alumine,
tandis que le renfort extérieur comprend un réseau de tubulures circonférentielles
et axiales et une enveloppe externe en métal ou en résine renforcée par des fibres
en carbone. Les tubulures peuvent être parcourues par un réfrigérant ou du combustible
et avoir des parois perforées permettant au réfrigérant ou au combustible de s'infiltrer
dans le matériau isolant intérieur.
[0003] La présente invention a pour but de proposer une chambre de réacteur dans laquelle
les fonctions de tenue aux températures élevées, de résistance mécanique et d'injection
de combustible peuvent être assurées avec une structure aussi simple que possible.
[0004] Conformément à l'invention, la paroi de la chambre du réacteur est réalisée en matériau
composite réfractaire, comportant une texture de renfort densifiée par une matrice,
et comprend au moins une zone d'injection définie par une partie de paroi poreuse
perméable à un fluide à injecter dans la chambre, la perméabilité de la ou chaque
partie de paroi définissant une zone d'injection résultant d'une moindre densification
du matériau composite en comparaison avec le reste de la paroi qui est étanche au
fluide à injecter.
[0005] Par matériau composite réfractaire, on entend ici un composite à matrice céramique
ou carbone.
[0006] La ou chaque partie de paroi définissant une zone d'injection est par exemple en
forme d'anneau dont la surface opposée à celle qui constitue une partie de surface
intérieure de la chambre est en communication avec une source du fluide à injecter.
[0007] Un matériau composite réfractaire à matrice céramique (CMC) ou à matrice carbone
est particulièrement adapté à la réalisation d'une chambre de réacteur dans la paroi
de laquelle sont intégrées une ou plusieurs zone d'injection de fluide par transpiration
à travers un matériau poreux.
[0008] En effet, un tel matériau a des propriétés thermostructurales, c'est-à-dire un comportement
mécanique et une tenue aux températures élevées, qui le rendent apte à la réalisation
d'éléments de structure de la chambre. En particulier, un renfort extérieur autour
de la paroi en composite, tel que celui décrit dans le document GB-A-2 089 434, n'est
pas nécessaire.
[0009] En outre, la porosité d'un composite peut être facilement controlée en agissant sur
le taux volumique de fibres constitutives de sa texture fibreuse de renfort et/ou
sur le degré de densification par le matériau constitutif de la matrice, pour obtenir
la perméabilité ou la non-perméabilité au fluide à injecter.
[0010] Un matériau de type C/SiC (renfort en fibres de carbone et matrice en carbure de
silicium) ou de type SiC/SiC (renfort en fibres essentiellement en carbure de silicium
et matrice en carbure de silicium), ou encore de type C/C protégé (renfort en fibres
de carbone, matrice en carbone et protection anti-oxydation), pourra convenir.
[0011] La liaison entre la ou chaque partie de paroi définissant une zone d'injection et
la ou chaque partie de paroi formant le reste de la chambre est avantageusement réalisée
par assemblage de toutes les parties constitutives de la paroi dans un état incomplètement
densifié par rapport au niveau de densification finale souhaité pour chacune des parties,
et par co-densification des parties de paroi assemblées. Cette co-densification est
de préférence réalisée par infiltration chimique en phase vapeur.
[0012] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à
titre indicatif, mais non limitatif, en référence au dessin annexé, sur lequel la
figure unique est une vue très schématique, en coupe axiale, d'une chambre de statoréacteur
constituant un mode particulier de réalisation de l'invention.
[0013] Dans l'exemple illustré, la chambre 10 est de forme cylindrique à section circulaire
et comprend, dans le sens d'écoulement de l'air (flèche A), un tronçon étanche amont
12, un anneau d'injection 20 pour l'injection d'un flux de combustible gazeux, et
un tronçon étanche aval 14. Les surfaces intérieures des tronçons 12, 14 et de l'anneau
d'injection 20 définissent la paroi interne continue cylindrique de la chambre du
statoréacteur.
[0014] La surface extérieure de l'anneau 20 délimite une chambre 22 d'injection de combustible
qui communique avec une source de combustible (non représentée). Le combustible est
par exemple de l'hydrogène qui est injecté à l'état gazeux, la pression régnant dans
la chambre d'injection 22 étant supérieure à celle régnant dans la chambre de combustion
du statoréacteur.
[0015] L'anneau 20 est réalisé en une seule pièce en matériau composite poreux à matrice
céramique ou carbone. La porosité du matériau constitutif de l'anneau 20 confère à
ce dernier la perméabilité nécessaire pour permettre l'injection du flux gazeux de
combustible par transpiration à travers l'anneau d'injection. Le débit de combustible
injecté dans la chambre de combustion est défini par la porosité de l'anneau d'injection,
la longueur de celui-ci, et la différence de pression entre les surfaces extérieure
et intérieure de l'anneau.
[0016] Le matériau constitutif de l'anneau 20 est un matériau composite constitué d'un renfort
fibreux partiellement densifié par une matière céramique ou par du carbone. Pour la
fabrication de l'anneau, on réalise une préforme annulaire qui constitue le renfort
fibreux. La préforme est réalisée en fibres de carbone ou en fibres céramique, par
exemple en fibres essentiellement en carbure de silicium. A titre d'exemple, la préforme
fibreuse est réalisée par bobinage sur un mandrin d'une bande de tissu jusqu'à obtention
de l'épaisseur désirée. Les couches de tissu superposées peuvent être liées entre
elles par aiguilletage ou implantation de fils.
[0017] La densification de la préforme est réalisée par voie gazeuse ou par voie liquide.
Dans le premier cas, on réalise une densification par infiltration chimique en phase
vapeur du matériau constitutif de la matrice, par exemple du carbure de silicium ou
du carbone. Dans le deuxième cas, la préforme est imprégnée par un précurseur du matériau
constitutif de la matrice, celle-ci étant obtenue ensuite par traitement thermique.
[0018] La durée d'infiltration chimique en phase vapeur ou le nombre de cycles imprégnation
liquide-thermolyse sont choisis afin d'obtenir la porosité finale désirée compte tenu
de la porosité initiale de la préforme. A titre indicatif, on pourra réaliser un anneau
d'injection en matériau céramique C/SiC en fabriquant une préforme en fibres de carbone
ayant un taux volumique de fibres d'environ 35 % et en densifiant celle-ci par infiltration
chimique en phase vapeur de carbure de silicium jusqu'à atteindre une porosité résiduelle
d'environ 40 %.
[0019] Dans le cas d'un matériau de type C/C, un traitement spécifique sera effectué pour
protéger le matériau contre l'oxydation. Différents traitements de protection anti-oxydation
des composites C/C sont bien connus.
[0020] Les tronçons 12, 14 de la chambre de statoréacteur sont de préférence également en
un matériau composite à matrice céramique ou carbone. Avantageusement, on choisira
un matériau ayant un renfort et une matrice de même nature que celui de l'anneau d'injection
20. Toutefois, contrairement à l'anneau 20, les tronçons 12, 14 sont étanches, l'étanchéité
étant obtenue par une densification suffisamment poussée pour combler la porosité
du renfort fibreux jusqu'à rendre le matériau imperméable.
[0021] De façon avantageuse, la liaison entre les tronçons 12, 14 de la paroi de la chambre
10 et l'anneau d'injection 20 est réalisée par co-densification. A cet effet, les
tronçons 12, 14 et l'anneau 20 sont réalisés séparément en étant incomplètement densifiés
par rapport au degré de densification finale désiré. Les éléments sont ensuite assemblés
bout à bout et disposés dans un four d'infiltration pour subir une co-densification
finale par infiltration chimique en phase vapeur. Au cours de la co-densification
finale, la continuité du matériau de la matrice aux interfaces entre les tronçons
12, 14 et l'anneau 20 assure la liaison entre ces éléments. Cette co-densification
finale est poursuivie jusqu'à obtenir le degré de porosité voulu pour l'anneau d'injection
20, les tronçons 12, 14 ayant été précédemment suffisamment pré-densifiés pour obtenir
finalement l'étanchéité désirée.
[0022] De ce qui précède, il ressort bien que l'utilisation de CMC ou de C/C protégé permet
de combiner, au sein d'une même structure de paroi de chambre, la tenue aux températures
élevées et aux sollicitations mécaniques, et la fonction d'injection de fluide dans
une zone définie de la paroi de la chambre.
[0023] Le nombre des zone d'injection peut être supérieur à 1 en prévoyant un ou plusieurs
anneaux d'injection supplémentaires pour réaliser une injection complémentaire de
combustible ou pour réaliser une injection de comburant, par exemple à des fins de
dilution, en aval de l'injection de combustible. En outre, des formes autres qu'annulaires
pourront être données aux zones d'injection. Dans tous les cas, les parties de paroi
définissant les zones d'injection peuvent être réalisées et assemblées au reste de
la paroi de la chambre comme décrit plus haut à propos de l'anneau d'injection 20.
[0024] Dans le mode de réalisation décrit en référence au dessin, il est envisagé l'injection
d'un fluide combustible gazeux à l'intérieur d'une chambre de statoréacteur. L'invention
est également utilisable dans le cas de l'injection d'un combustible liquide, en adaptant
à cet effet la porosité du CMC ou du C/C protégé dans la zone d'injection. En outre,
le domaine d'application de l'invention n'est pas limité aux chambres de statoréacteurs,
qu'ils soient à combustion subsonique ou supersonique, et englobe aussi les chambres
de turboréacteurs.
1. Chambre de réacteur dans laquelle un fluide est introduit par transpiration à travers
une zone d'injection réfractaire poreuse formant une partie de cette chambre, caractérisée
en ce que de ladite chambre du réacteur est constituée d'une paroi unique réalisée
en matériau composite à matrice céramique et comprenant au moins une zone d'injection
définie par une partie de paroi (20) poreuse perméable à un fluide à injecter dans
la chambre, la perméabilité de la ou chaque partie de paroi définissant une zone d'injection
résultant d'une moindre densification du matériau composite à matrice céramique en
comparaison avec le reste de la paroi (12, 14) qui est étanche au fluide à injecter.
2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ou chaque partie de paroi
définissant une zone d'injection est par exemple en forme d'anneau (20) dont la surface
opposée à celle qui constitue une partie de surface intérieure de la chambre est en
communication avec une source du fluide à injecter.
3. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le
matériau composite à matrice céramique est choisi parmi un composite de type C/SiC
et un composite de type SiC/SiC.
4. Procédé de fabrication d'une chambre de réacteur selon l'une quelconque des revendications
1 à 3, caractérisé en ce que la ou chaque partie de paroi définissant une zone d'injection
et la ou chaque partie de paroi formant le reste de la chambre sont réalisées séparément
en étant incomplètement densifiées par rapport au niveau de densification finale souhaité
pour chacune des parties constitutives de la paroi, les parties constitutives de la
paroi sont assemblées, et les parties constitutives assemblées sont liées les unes
aux autres par co-densification jusqu'à atteindre le niveau de densification finale
désiré pour chaque partie constitutive.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la co'densification est réalisée
par infiltration chimique en phase vapeur.
1. Jet engine combustion chamber in which a fluid is introduced by transpiration through
a porous refractory injection zone forming a part of this chamber, characterized in
that said jet engine combustion chamber is constituted by a single wall made of a
ceramic matrix composite material comprising at least one injection zone defined by
a porous wall portion (20) that is permeable to a fluid to be injected into the chamber,
the permeability of the or each wall portion defining an injection zone resulting
from a lesser degree of densification of the ceramic matrix composite material in
comparison with the remainder of the wall (12, 14), said remainder being impermeable
to the fluid to be injected.
2. Chamber according to claim 1, characterized in that the or each wall portion defining
an injection zone can e.g. be in the form of a ring (20) in which the surface opposite
to the surface constituting a part of the inner surface of the chamber communicates
with a source of fluid to be injected.
3. Chamber according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the ceramic
matrix composite material is selected from a C/SiC composite and from a SiC/SiC composite.
4. Process for the manufacture of a jet engine combustion chamber according to any one
of claims 1 to 3, characterized in that the or each wall portion defining an injection
zone, and the or each wall portion forming the remainder of the chamber are made separately
with incomplete densification with respect to a final level of densification intended
for each of the portions constituting the wall, the portions constituting the wall
are assembled, and the assembled constitutive portions are interlinked by a co-densification
until is obtained the final level of densification intended for each constitutive
portion.
5. Process according to claim 4, characterized in that the co-densification is performed
by chemical vapor infiltration.
1. Reaktorkammer, bei der ein Fluid durch Transpiration über eine hitzebeständige, poröse
Injektionszone, die einen Teil der Kammer bildet, eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer aus einer einzigen Wand besteht, die aus einem Verbundmaterial
mit einer keramischen Matrix hergestellt ist und wenigstens eine Injektionszone aufweis,
die durch einen porösen, für das in die Kammer zu injizierende Fluid permeablen Teil
der Wand (20) gebildet wird, wobei die Permeabilität des bzw. jedes Teils der Wand
eine Injektionszone bildet, die sich durch eine geringere Verdichtung des Verbundmaterials
mit keramischer Matrix im Vergleich zum restlichen Teil der Wand (12, 14) ergibt,
der gegenüber dem zu injizierenden Fluid dicht ist.
2. Kammer nach Anpruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Teil der Wand, der eine Injektionszone bildet, z. B. die Form eines
Ringes (20) hat, dessen Oberfläche, die derjenigen gegenüberliegt, die einen Teil
der inneren Oberfläche der Kammer bildet, mit einer Quelle des zu injizierenden Fluids
in Verbindung steht.
3. Kammer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial mit keramischer Matrix aus einem Verbundmaterial des Typs C/SiC
und einem Verbundmaterial des Typs SiC/SiC ausgewählt ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Reaktorkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Teil der Wand, der eine Injektionszone bildet, und der bzw. jeder
Teil der Wand, der den restlichen Teil der Kammer bildet, gesondert hergestellt werden,
indem sie bezüglich des gewünschten Grades der abschließenden Verdichtung für jeden
Teil der Hauptteile der Wand unvollständig verdichtet werden, daß die Hauptteile der
Wand montiert werden und daß die montierten Hauptteile der Wand miteinander durch
Mischverdichtung verbunden werden, bis der gewünschte Grad der abschließenden Verdichtung
für jeden Hauptteil erreicht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mischverdichtung durch chemische Infiltration in der Dampfphase durchgeführt
wird.