Thermoréacteur - Cinquième Génération

Cette "dernière" génération de Thermoréacteur est telle qu'elle se présente comme la 4ème génération augmentée des 3 perfectionnements qui vont suivre.

Par ailleurs, attendu que les Thermoréacteurs seront optimisés pour fonctionner sur 3 minutes maximum afin de positionner l'Xplorair PX200 à une altitude suffisante de l'ordre de 600 à 800 mètres et satisfaire ainsi à la "sécurité acoustique", et que de plus, pour le décollage vertical ou sans piste de roulage, la MASSE est l'ENNEMIE n°1, nous excluons donc toutes pompes, conduits, calculateurs, connexions, et autres alimentations. Ce qui ira dans le sens d'une plus grande fiabilité par suite de composants réduits à leurs minimum...

De fait, nous serons alors confrontés à une optimisation Mécanique qu'il conviendra de simuler chaque élément très finement, et de les expérimenter non moins finement. Les perfectionnements se présentent alors comme suit :

Sur la Valve de Remplissage

Description
Le Thermoréacteur de dernière génération (TR5G) est constitué d’une valve de remplissage (vert) en rotation, d’une valve de détente (vert) en rotation, de 2 réservoirs thermiques en rotation (tournant à la même vitesse), d’un distributeur de carburant fixe en rotation, d’un distributeur d’eau fixe en rotation.

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Ce TR5G est aussi constitué de 2 chambres de combustion inférieure et supérieure. Celles-ci sont en communication avec les réservoirs thermiques au travers de conduits d’allumage ménagés dans le corps central.

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Fonctionnement de la Valve de Remplissage (TR5G)

Les injecteurs de carburant situé aux 2 extrémités de TR4G sont supprimés. L’injection de carburant se fait désormais au travers de la valve de remplissage du TR5G dans laquelle sont ménagés :
‐ 5.1.1 Des conduits qui relient le corps central de cette valve de remplissage fixe ; lesdits conduits, en leurs extrémités, se comportent comme des buses principales couramment utilisées dans les carburateurs à dépression,
‐ 5.1.2 Un corps central cylindrique FIXE dans lequel circule le carburant,
‐ 5.1.3 Le carburant est entraîné sous l’effet de la force centrifuge produite par la rotation de la valve d’injection,
‐ 5.1.4 La force d’inertie de Coriolis générée précisément par cette rotation reste faible au regard du couple constamment positif produit par l’éjection des gaz brûlés sur la valve de détente,
‐ 5.1.5 La valve de remplissage prend donc appui en rotation sur le conduit cylindrique FIXE d’arrivée du carburant qui y fait alors office de palier,
‐ 5.1.6 La vitesse d’injection de l’air comprimé issus des Thermocompresseurs situés dans la soute sera quasiment toujours sonique au « col », soit une vitesse de l’ordre de 365 m/s, ce qui favorise complètement la dislocation du carburant liquide, et jusqu’à produire alors un mélange air-carburant des plus homogène.

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Injecteurs Amont-Aval ACG-Aviation-thermoreacteur-5eme-generation-4
C’est le col (distance minimale présentée par la circulation de l’air comprimé, et des fluides en général) qui règle l’activation des conduits d’injection de carburant. Ainsi :
1 – Tant que l’injecteur amont présente un col, alors c’est ce dernier qui autorise l’introduction du carburant qui, sous l’effet de la force d’inertie centrifuge, et de la vitesse tangentielle, s’introduit avec une vitesse de quelques mètres par seconde.
De fait, sous l’effet de la vitesse très importante notée au col (> 360 m/s), conjuguée avec cette vitesse d’introduction du carburant, alors la pulvérisation-dislocation du carburant liquide fera que des gouttes de très faibles diamètres seront mélangées à l’air en très forte turbulence pour produite un près mélange air-carburant particulièrement homogène,
2 – Dès que, par rotation, le col aval devient égal au col amont, alors ce sera l’injecteur aval qui imposera le col, et ainsi, le carburant sera injecté par cet injecteur aval pour compléter le remplissage de la chambre de combustion,
3 – Noter aussi que le calage des conduits avec le distributeur de carburant central FIXE imposera qu’un « matelas » d’air comprimé pur sera tout d’abord introduit afin de « nettoyer » la chambre de combustion de sorte à se positionner entre les gaz brûlés du cycle « n-1 » à vidanger, et les gaz frais réservés à la combustion du cycle « n ».

Vues 3D de la Valve de Remplissage & Thermoréacteur 5G

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Valve de Détente
Description
Le Thermoréacteur de dernière génération (TR5G) se compose d’une valve de Remplissage, de 2 réservoirs Thermiques, d’une valve de Détente, de 2 chambres de Combustion, d’un réducteur acoustique, et d’une chambre de post propulsion. Ci-dessous une vue globale du TR5G :


Sur la Valve de Détente & Chambre de Post Propulsion

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La valve de détente est animée d’une vitesse de rotation centrée sur le distributeur d’eau qui lui, est FIXE. Dans la valve, sont ménagées des conduits d’injection d’eau respectivement dans le réservoir du réducteur acoustique, et dans la chambre de post propulsion.

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La valve de détente est animée d’une vitesse de rotation centrée sur le distributeur d’eau FIXE. Dans cette valve sont ménagées des conduits d’injection d’eau respectivement dans le réservoir dit « réservoir acoustique » et la chambre de post propulsion. Les conduits aval & amont, dans leur rotation, entrent en communication avec les fentes ménagées dans le distributeur fixe de sorte à ce que l’eau contenue dans ce réservoir, portée par ailleurs à une température proche de l’ébullition du fait de sa circulation très proche de la chambre de combustion, soit éjectée dans le chambre de post propulsion.
Cette chambre dont le revêtement extérieur est en contact permanent avec les gaz chauds issus de la chambre de combustion, présente une température très importante. Par conduction,  rayonnement, et diffusion cette température se propage dans la partie interne de la chambre de post propulsion, et présente donc une température très élevée. De fait, dès l’injection de l’eau déjà  portée à l’ébullition, celle-ci va se vaporiser quasi instantanément. Ainsi, en fonction de la quantité d’eau injectée, la vapeur surchauffée obéissant alors à l’expression de Dupperay, soit :
La température d'ébullition de l'eau pure, entre 100 °C et 250 °C, varie en fonction de la pression selon la relation :
P = Pa.(0/100)avec Pa : Pression atmosphérique, et 0 température en °C.ACG-Aviation-thermoreacteur-5eme-generation-valve-détente-3


Sachant que sous pression atmosphérique la masse volumique de la vapeur d’eau prise à 100 °C est de l’ordre de 0,6 g/litre, alors dans une chambre de post propulsion de 0,6 litre, la pression en fin de vaporisation pour 1,2 g d’eau en ébullition aura pour valeur :

Pour trouver la pression de vapeur à une température donnée, nous utiliserons l'équation de Clausius-Clapeyron : ln(P1/P2) = (ΔHvap/R)((1/T2) - (1/T1)).
Avec :

- ΔHvap : L'enthalpie de vaporisation du liquide. Elle est généralement indiquée dans le tableau situé à l'arrière des manuels de physique-chimie.
- R : Le contenu du gaz réel ou 8 314 J/(K × Mol).[2].
- T1 : La température à laquelle la pression de vapeur est connue (ou la température de base.)
- T2 : La température à laquelle la pression de vapeur doit être trouvée (ou la température finale.)
- P1 et P2 : Respectivement, les pressions de vapeur correspondant aux températures T1 et T2.
Ainsi, en vaporisant l’eau injectée au travers de la valve de détente dans la chambre de post propulsion, et attendu que l’eau est très caloporteur, les calories prélevées pour la vaporiser participent alors fortement au refroidissement des parois de l’aerospike. La chambre de post propulsion est rendue rigide par l’insertion de raidisseurs qui maintiennent l’intégrité de ladite chambre, et assurent ainsi l’étanchéité avec la valve de détente au moment de la montée en pression due à la vaporisation de l’eau qui y est injectée.

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La valve de détente se présente alors comme suit :

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Le distributeur central dans lequel circule l’eau de vaporisation & refroidissement sera calibré, tout comme ses injecteurs. L’objectif étant de créer une pression de vapeur surchauffée suffisamment importante pour produire une poussée de post propulsion significative et compatible avec le cycle thermodynamique.


Attendu que la vitesse de rotation des valves et autres réservoirs thermiques ne dépassera par les 2000 tr/min, alors, compte tenu des rayons des valves - 4 à 5 cm -, les vitesses d’injection seront de l’ordre de quelques m/s, et avec un angle d’injection fonction de la forme des buses.

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Valve de détente en mode injection & vaporisation

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Réducteur acoustique

Description
Le réducteur acoustique a pour fonction de réduire la puissance acoustique générée par l’éjection des gaz brûlés issus de la chambre de combustion principale. Pour ce faire, lesdits gaz brûlés seront « enrobés » par plusieurs couches de gaz constitués de gaz résiduels et de vapeur d’eau.
Le présent concept a pour but d’expliciter la façon de produire le débit de gaz pour justement activer ce réducteur acoustique.
Sur le schéma ci-après, sont représentés le « réservoir réducteur acoustique », la valve de détente dans laquelle circule l’eau à vaporiser au travers du distributeur/réservoir d’eau FIXE, et le conduit dans lequel s’effectue la vaporisation de l’eau et son mélange avec les gaz brûlés résiduels. Ce mélange va alors se répartir au travers des « éjecteurs acoustiques » afin de produire justement les différentes couches de gaz à des vitesses décroissantes. On parle alors de « mille-feuilles acoustique ».

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Comme représenté sur le schéma suivant, les gaz brûlés résiduels sont issus, pour le conduit supérieur, du réservoir thermique dont la fonction explicitée sur le site www.xplorair-technologies.com est de comprimer les gaz frais du cycle « N » tout en les « allumant » ; ces gaz brûlés ayant été produits lors du cycle « N-1 ». Attendu qu’après cette opération, subsiste encore dans les réservoirs thermiques des gaz brûlés à haute pression et haute température, il est indispensable de ramener ces conditions à une pression au moins égale à la pression atmosphérique de sorte à remplir de nouveau de gaz frais ces réservoirs thermiques.
Exemple : Pression des gaz frais : 2,5 bars ; pression de fin de combustion dans le réservoir thermique : 19 bars / 2800 K ; pression des gaz résiduels après injection dans la chambre de combustion principale : 7 bars / 2260 K / 200 cm3. C’est donc ces gaz résiduels, et dans les conditions initiales de cycle « N-1 » qu’il faut ramener aux conditions suivantes du cycle « N » pour
permettre une nouvelle injection de gaz frais et leur allumage : 1 bar / 1500 K / 200 cm3.

Ainsi, ces gaz brûlés résiduels vont suivre le circuit indiqué en rouge sur le schéma ci-après, et au travers des conduits ménagés dans le corps principal jusqu’à parvenir dans le canal dit du « réducteur acoustique » :

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Les gaz brûlés entrant alors dans le canal du réducteur acoustique possèderont encore une pression supérieure à rapport critique, de sorte à présenter une vitesse sonique (M = 1) au col ainsi dessiné.
De fait, un conduit est ménagé précisément au col de façon à ce que se produise le phénomène de « l’effet Bernoulli » qui entrainera l’eau portée à quasi ébullition, et ainsi, par contact avec ces gaz brûlés résiduels encore à très haute température (> 1500 K), l’eau va se vaporiser en un temps très bref. Par ailleurs, la longueur du canal acoustique sera suffisamment importante pour assurer  la vaporisation complète à l’entrée des éjecteurs acoustiques.

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De fait, dans le plan d’entrée des éjecteurs acoustiques, le débit se partage en 3 sections égales. La vitesse de ce mélange étant subsonique due, entre autre, au ralentissement des gaz résiduels lors de l’entrainement de l’eau liquide au col, mais aussi de son expansion dans le canal acoustique.

Chaque éjecteur acoustique se présente comme une tuyère dont la section de sortie est plus grande que sa section d’entrée, ce qui permet de régler précisément la vitesse subsonique de sortie. Ainsi, il devient possible de créer 3 couches superposées dont les vitesses de sortie vont décroissantes depuis celle en contact direct avec le jet issu de la chambre principale jusqu’à la couche externe qui présente alors la vitesse minimale de ce « mille-feuilles acoustique ».

Et lorsque l’on sait que la puissance acoustique d’un jet continu est fonction de sa vitesse V8, il devient impératif de réduire au minimum la vitesse de la couche la plus externe, et donc en contact direct avec l’extérieur.

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Chaque couche de ce « mille-feuilles acoustique » présente donc un gradient de vitesse qui, après quelques simulations numériques explicitée sur le site : www.xplorair-technologies.com montre clairement que le niveau de réduction acoustique, en termes de puissance, peut être réduit au minimum de 16 dB, soit une diminution par 30 !!

 

 

  

Valve Réservoir Thermique

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