FR2765273A1 - Propulsion unit e.g. for scale model or pilotless drone reconnaissance aircraft - Google Patents

Abstract

The propulsion unit comprises a ducted fan (1) driven by an IC engine (3) and surrounded by a streamlined housing (5) which ends in a duct (7), and a pulse jet engine (8) located inside the housing to the rear of the fan. The IC engine and pulse jet engine can be mounted on a common supporting frame (14), and the IC engine has an exhaust pipe (23) which discharges into the pulse jet engine and contains a fuel pipe feeding the pulse jet engine. The two engines can be fed with a common fuel, such as a methanol/oil mixture, or the IC engine can operate on such a mixture plus nitromethane if its ignition plug is incandescent, or on a petrol/oil mixture if ignition is controlled. The pulse jet engine can operate on pure petrol or kerosene or a methanol/benzol mixture plus nitromethane.

Description

PULSORÉACTEUR INTEGRE A UNE SOUFFLANTE CARENEE
DESCRIPTION
L'invention a trait à un pulsoréacteur intégré à une soufflante carénée, I'ensemble servant de propulseur composite à un engin qui peut être un modèle réduit d'avion ou un avion sans pilote de reconnaissance ou affecté à une autre mission (drone d'après l'anglais). INTEGRATED PULSOREACTOR WITH A FAIRED BLOWER
DESCRIPTION
The invention relates to a pulsoreactor integrated into a faired blower, the assembly serving as a composite propellant to a machine which can be a model airplane or an unmanned reconnaissance aircraft or assigned to another mission (drone of after English).

Les petits avions utilisés par les modélistes ou les armées peuvent être mus par des propulseurs de différentes catégories, dérivés des propulseurs conçus pour les avions de taille ordinaire en y incorporant les modifications nécessaires. Les plus fréquents sont les moteurs à explosion entraînant une hélice de traction ou de propulsion et dont il existe de nombreux modèles disponibles. Small planes used by model makers or armies can be powered by thrusters of different categories, derived from thrusters designed for ordinary size aircraft with the necessary modifications. The most frequent are the internal combustion engines driving a propeller of propulsion or propulsion and of which there are many models available.

L'intérêt porté à la propulsion à réaction se développe cependant en raison des performances supérieures qu'elle offre pour la poussée, et donc l'accélération et la vitesse de l'engin, en raison aussi des petites tailles de propulseurs qu' on peut espérer atteindre. On utilise en pratique trois catégories de réacteurs : les turbines, les turboréacteurs et les pulsoréacteurs. Les premières sont des soufflantes carénées entraînées par des moteurs à explosion et présentent l'avantage d'être peu coûteuses, ce qui explique qu'elles soient de loin les plus répandues en modélisme. Les deuxièmes sont appréciés en raison de leur silence, de leur faible niveau de vibrations et d'un carburant à bon marché, mais ils sont compliqués et coûteux à cause de la nécessité de construire des parties délicates tournant à très grande vitesse qui imposent des paliers et un circuit d'huile de lubrification ; il faut aussi prévoir une alimentation d'air comprimé pour assurer le démarrage ; et leur rendement est médiocre. Enfin, les troisièmes sont remarquables par leur rusticité, puisqu'ils n'imposent que peu ou pas de pièces mobiles, et par un bon rapport poids/poussée, mais ils sont très bruyants, ont une consommation élevée, et ils imposent d'injecter le carburant sous pression et d'apporter de l'air comprimé pour le démarrage. Les recherches sur les pulsoréacteurs n' ont jamais cessé. Elles continuent actuellement sur le moteur à détonation pulsée (MDP) qui est une variante du pulsoréacteur. The interest in jet propulsion is developing, however, because of the superior performance it offers for thrust, and therefore the acceleration and speed of the machine, also due to the small propellant sizes that can be hope to achieve. In practice, three categories of reactors are used: turbines, turbojets and pulsoreactors. The first are faired blowers driven by internal combustion engines and have the advantage of being inexpensive, which explains why they are by far the most widespread in model making. The second ones are appreciated because of their silence, their low level of vibrations and cheap fuel, but they are complicated and expensive because of the need to build delicate parts rotating at very high speed which require bearings and a lubricating oil circuit; a compressed air supply must also be provided to ensure start-up; and their performance is poor. Finally, the third ones are remarkable for their rusticity, since they impose little or no moving parts, and by a good weight / thrust ratio, but they are very noisy, have a high consumption, and they require injecting pressurized fuel and provide compressed air for starting. Research on pulsoreactors has never stopped. They are currently continuing on the pulsed detonation engine (MDP) which is a variant of the pulsoreactor.

L'invention consiste à associer dans un même ensemble une soufflante carénée et un pulsoréacteur placé derrière celle-ci. The invention consists in associating in one and the same a shrouded fan and a pulsoreactor placed behind it.

On constate que cette disposition produit plusieurs effets bénéfiques, les deux propulseurs se complétant bien : le pulsoréacteur, utilisé comme moyen de post-combustion d'une partie de l'air de la soufflante, échauffe aussi le flux d'air qui l'entoure, et produit donc une force de poussée supplémentaire par la dilatation des gaz, en plus de sa poussée propre; comme il est alimenté par de l'air sous pression, il démarre et fonctionne mieux ; enfin, la carène de la soufflante atténue le bruit du pulsoréacteur en l'entourant. It can be seen that this arrangement produces several beneficial effects, the two propellants complementing each other well: the pulsoreactor, used as a means of post-combustion of part of the air in the fan, also heats the air flow which surrounds it. , and therefore produces an additional thrust force by the expansion of the gases, in addition to its own thrust; as it is supplied with pressurized air, it starts and functions better; finally, the blower's hull attenuates the noise of the pulsoreactor by surrounding it.

Un autre avantage notable est obtenu si on alimente le pulsoréacteur en carburant en se servant des gaz d'échappement du moteur à explosion qui entraîne la soufflante : l'échappement du moteur à explosion comprend alors un conduit qui aboutit dans le pulsoréacteur, et un conduit d'alimentation en carburant du pulsoréacteur aboutit dans ce conduit d'échappement. Grace à cette disposition, le carburant se vaporise au contact des gaz d'échappement chauds et le mélange acquiert une vitesse plus importante qui lui permet d'entrer plus rapidement dans la chambre de combustion du pulsoréacteur. Another notable advantage is obtained if the pulsoreactor is supplied with fuel by using the exhaust gases of the internal combustion engine which drives the fan: the exhaust of the internal combustion engine then comprises a duct which ends in the pulsoreactor, and a duct supply of fuel to the pulsoreactor ends in this exhaust duct. Thanks to this arrangement, the fuel vaporizes on contact with the hot exhaust gases and the mixture acquires a higher speed which allows it to enter the combustion chamber of the pulsoreactor more quickly.

Ces effets de l'invention et l'invention elle-même seront mieux compris à la lumière de la description des figures suivantes et qui en illustrent une réalisation possible
la figure 1 est une vue générale du propulseur de
l'invention,
la figure 2 est une représentation plus
symbolique qui illustre le principe
d'alimentation du propulseur,
et la figure 3 illustre une variante de
l'alimentation.These effects of the invention and the invention itself will be better understood in the light of the description of the following figures and which illustrate a possible embodiment thereof.
Figure 1 is a general view of the thruster
the invention,
Figure 2 is a more
symbolic which illustrates the principle
propellant supply,
and Figure 3 illustrates a variant of
food.

Une soufflante 1 est visible à la gauche du propulseur de la figure 1. I1 s'agit d'un rotor 2 muni d'ailettes tournantes et entraîné par un moteur à explosion 3 situé derrière elles. L'air accéléré par le rotor 2 est redressé par un étage circulaire d'ailettes constituant un stator 4 fixé à une carène 5 enveloppant la soufflante 1 et le moteur à explosion 3 et délimitant ainsi une veine 6 sensiblement annulaire dans laquelle l'air soufflé circule en assurant la propulsion de l'engin sur lequel le propulseur est fixé. La carène 5 finit en tuyère 7 à l'arrière. Elle s'étend cependant beaucoup plus que dans les réalisations ordinaires afin de loger un pulsoréacteur 8 entre le moteur à explosion 3 et la tuyère 7.  A fan 1 is visible to the left of the thruster of FIG. 1. It is a rotor 2 provided with rotating fins and driven by an internal combustion engine 3 located behind them. The air accelerated by the rotor 2 is rectified by a circular stage of fins constituting a stator 4 fixed to a hull 5 enveloping the blower 1 and the internal combustion engine 3 and thus delimiting a substantially annular vein in which the blown air circulates ensuring the propulsion of the machine on which the propellant is fixed. The hull 5 ends in a nozzle 7 at the rear. However, it extends much more than in ordinary embodiments in order to house a pulsoreactor 8 between the internal combustion engine 3 and the nozzle 7.

Un pulsoréacteur est un réacteur dépourvu de pièce tournante et qui produit une colonne pulsée de gaz de combustion en raison d'une inflammation discontinue et périodique du carburant qui y est injecté. Le pulsoréacteur 8 comprend donc une enveloppe 9 qui isole une chambre 10 de combustion et une tuyère 11 d'échappement de la colonne de gaz (s'étendant à hauteur de la tuyère 7 dans ce propulseur-ci), et des valves d'entrée d'air 12 et un orifice d'injection de carburant 13 qui sont ménagées à travers l'enveloppe 9 pour alimenter la chambre 10 de l'extérieur. A pulsoreactor is a reactor without a rotating part and which produces a pulsed column of combustion gas due to a discontinuous and periodic ignition of the fuel which is injected into it. The pulsoreactor 8 therefore comprises a casing 9 which isolates a combustion chamber 10 and a nozzle 11 for exhaust from the gas column (extending at the level of the nozzle 7 in this propellant), and inlet valves air 12 and a fuel injection port 13 which are formed through the casing 9 to supply the chamber 10 from the outside.

Quand le mélange d'air et de carburant présent dans la chambre 10 s'enflamme, il explose en produisant une onde de pression qui finit par s'écouler par la tuyère 11 ; le contrecoup de l'explosion finit par produire une dépression dans la chambre 10, qui aspire du carburant par l'orifice 13 et de l'air par les valves 12 ; le mélange air-carburant se produit presque immédiatement et le résidu de gaz chauds résultant de l'explosion précédente l'enflamme à son tour, ce qui recommence le cycle. Les valves 12 peuvent être situées au fond de la chambre 10 ou plutôt, comme on l'a représenté ici, sur une couronne circulaire de l'enveloppe 9 adjacente à ce fond ; il peut s'agir de clapets mécaniques à ressorts, s'ouvrant quand la dépression dans la chambre 10 est suffisante et se fermant sinon ; ou, comme on l'a représenté ici et comme on le voit mieux à la figure 2, les valves 12 peuvent consister en des ouvertures latérales à contrecourant qui laissent passer l'air quand une différence de pression suffisante existe entre la chambre 10 et la veine 6 ; ce système, préféré car il ne nécessite pas l'emploi de pièces mécaniques délicates, est une évolution des pulsoréacteurs de type Ecrevisse construits par la Snecma. When the mixture of air and fuel present in the chamber 10 ignites, it explodes, producing a pressure wave which eventually flows through the nozzle 11; the backlash of the explosion eventually produces a vacuum in the chamber 10, which sucks fuel through the orifice 13 and air through the valves 12; the air-fuel mixture occurs almost immediately and the residue of hot gases resulting from the previous explosion ignites it in turn, which starts the cycle again. The valves 12 can be located at the bottom of the chamber 10 or rather, as shown here, on a circular crown of the casing 9 adjacent to this bottom; it may be mechanical spring valves, opening when the vacuum in the chamber 10 is sufficient and closing otherwise; or, as shown here and as best seen in FIG. 2, the valves 12 can consist of lateral counter-current openings which allow air to pass when a sufficient pressure difference exists between the chamber 10 and the vein 6; this system, preferred because it does not require the use of delicate mechanical parts, is an evolution of the Ecrevisse type pulsoreactors built by Snecma.

Un bâti moteur 14 solidarise le moteur explosion 3 et le pulsoréacteur 8. Il lie l'ensemble à la carène 5 et constitue un point d'ancrage rigide du propulseur à l'engin qui le porte. La carène 5 est fixée au bâti 14 par les ailettes du stator 4 à l'avant, et à l'arrière par un pylône profilé 15 traversant la veine 6 et logeant éventuellement les conduites d'alimentation en carburant. Le moteur à explosion 3 représenté est un moteur monocylindrique à deux temps à bougie 19, dont l'arbre entraîne la soufflante 1 à haute vitesse de rotation. D'autres types de moteur, et en particulier un moteur Wankel à piston rotatif, pourraient également être utilisés par exemple. An engine mount 14 secures the explosion engine 3 and the pulsoreactor 8. It links the assembly to the hull 5 and constitutes a rigid anchoring point of the propellant to the vehicle which carries it. The hull 5 is fixed to the frame 14 by the fins of the stator 4 at the front, and at the rear by a profiled pylon 15 crossing the vein 6 and possibly housing the fuel supply lines. The internal combustion engine 3 shown is a two-stroke two-stroke spark plug engine 19, the shaft of which drives the fan 1 at high speed of rotation. Other types of engine, and in particular a Wankel rotary piston engine, could also be used for example.

Le conduit d'achappement 20 comprend un conduit principal 21 aboutissant à un silencieux 22, comprenant notamment une chambre disposée autour de la tuyère 11 et dans laquelle les bruits des gaz d'échappement sont amortis, et un conduit de dérivation 23 prélevant une partie des gaz d'échappement et débouchant dans la chambre 10 du pulsoréacteur 8 l'orifice d'injection 13 termine ce conduit de dérivation 23. L'injection du carburant se fait au niveau du gicleur placé à l'extrémité d'un tuyau d'alimentation 16 en amont de l'orifice 13, de sorte que le carburant arrivant à basse pression se mêle au débit dérivé de gaz d'échappement et se vaporise en s'échauffant avant d'entrer dans la chambre 10. I1 est donc immédiatement apte à la combustion. De plus, le flux de gaz d'échappement vers l'orifice d'injection 13 s'interrompt quand la pression est forte dans la chambre 10 après l'explosion, mais reprend fortement quand la colonne de gaz s'est écoulée, grâce à la pression qu'il a accumulée ; cette oscillation de débit règle automatiquement le rythme d'injection de carburant. The exhaust duct 20 comprises a main duct 21 leading to a silencer 22, comprising in particular a chamber arranged around the nozzle 11 and in which the noises of the exhaust gases are damped, and a bypass duct 23 taking part of the exhaust gas and opening into the chamber 10 of the pulsoreactor 8 the injection orifice 13 terminates this bypass conduit 23. The fuel is injected at the nozzle placed at the end of a supply pipe 16 upstream of the orifice 13, so that the fuel arriving at low pressure mixes with the flow derived from exhaust gas and vaporizes as it heats up before entering the chamber 10. It is therefore immediately capable of combustion. In addition, the flow of exhaust gas to the injection orifice 13 is interrupted when the pressure is high in the chamber 10 after the explosion, but resumes strongly when the column of gas has passed, thanks to the pressure he has accumulated; this flow oscillation automatically sets the fuel injection rate.

Le démarrage du propulseur est simple : le moteur 3 est tout d'abord lancé par un démarreur électrique extérieur non représenté qu'on relie par une clé 24 d'entraînement à l'extrémité avant de la soufflante 1. Lorsque le moteur 3 tourne, le démarreur est retiré, la pression de l'air dans la veine 6 s'élève, ce qui emplit la chambre 10 du pulsoréacteur 8 et permet d'amorcer ce dernier dans de bonnes conditions en allumant une bougie 25 dont les électrodes donnent dans la chambre 10 et en autorisant 1' arrivée de carburant. On a vu que l'allumage était ensuite inutile, les cycles d'explosion se succédant automatiquement, de sorte que la bougie 25 peut être arrêtée. On voit donc qu'il est inutile d'alimenter le pulsoréacteur 8 avec de l'air comprimé pour le faire démarrer. Starting the propellant is simple: the engine 3 is first launched by an external electric starter (not shown) which is connected by a drive key 24 to the front end of the fan 1. When the engine 3 is running, the starter is removed, the air pressure in the vein 6 rises, which fills the chamber 10 of the pulsoreactor 8 and makes it possible to ignite the latter in good conditions by lighting a candle 25 whose electrodes give in the room 10 and authorizing the arrival of fuel. It has been seen that the ignition was then unnecessary, the explosion cycles succeeding one another automatically, so that the spark plug 25 can be stopped. We therefore see that it is useless to supply the pulsoreactor 8 with compressed air to start it up.

La figure 2 a essentiellement pour objet de détailler le système de commande et d'alimentation du propulseur. The main purpose of FIG. 2 is to detail the thruster control and supply system.

On utilise un mélange (par exemple) à base de méthanol et d'huile pour alimenter le moteur à explosion 3. Le mélange est contenu dans un réservoir 30 relié par un conduit 31 au carburateur 17. Celui-ci est commandé par un servomécanisme 33 électrique, extérieur au propulseur, par l'intermédiaire d'un câble ou d'une tringlerie 34. Le réservoir 30 est pressurisé par une prise de pression 32 débouchant dans la veine 6.  A mixture (for example) based on methanol and oil is used to supply the internal combustion engine 3. The mixture is contained in a reservoir 30 connected by a conduit 31 to the carburetor 17. The latter is controlled by a servomechanism 33 electric, external to the propellant, via a cable or a linkage 34. The reservoir 30 is pressurized by a pressure tap 32 opening into the vein 6.

Le pulsoréacteur 8 est alimenté en essence ou en kérosène purs à partir d'un réservoir 26. La circulation est assurée par une pompe 27 à membrane actionnée par la dépression créée par le piston dans le carter du moteur 3 amenée à la pompe par le conduit 28 ; une pompe électrique miniature peut aussi être utilisée. Le débit est commandé par un dispositif type électrovanne 29 complété par un réglage de débit. The pulsoreactor 8 is supplied with petrol or pure kerosene from a tank 26. Circulation is ensured by a diaphragm pump 27 actuated by the vacuum created by the piston in the crankcase of the motor 3 brought to the pump by the conduit 28; a miniature electric pump can also be used. The flow rate is controlled by a device type solenoid valve 29 supplemented by a flow rate adjustment.

Plusieurs compositions de carburant sont envisageables pour le moteur à explosion 3 comme pour le pulsoréacteur 8. Several fuel compositions can be envisaged for the internal combustion engine 3 as for the pulsoreactor 8.

Le moteur 3 peut fonctionner avec un mélange méthanol/huile + nitrométhane si la bougie 19 est à incandescence, ou avec un mélange essence/huile si la bougie est à allumage commandé. The engine 3 can operate with a methanol / oil + nitromethane mixture if the spark plug 19 is incandescent, or with a petrol / oil mixture if the spark plug is spark ignition.

Le pulsoréacteur peut fonctionner avec de l'essence ou du kérosène purs, ou avec un mélange méthanol/benzol + nitrométhane. The pulsoreactor can operate with pure petrol or kerosene, or with a methanol / benzol + nitromethane mixture.

Un mélange permettant d'alimenter les moteurs avec un même carburant, et donc à partir du même réservoir, est donc envisageable. A mixture making it possible to supply the engines with the same fuel, and therefore from the same tank, is therefore possible.

Cette solution est illustrée à la figure 3. This solution is illustrated in Figure 3.

Le réservoir 30 est supprimé et le réservoir 26 empli d'un mélange d'essence et d'huile par exemple, et légèrement préssurisé par la prise de pression 32, alimente directement le moteur 3 par le conduit 31, ainsi que le pulsoréacteur 8 par l'intermédiaire de la pompe 27 à membrane. Le reste du dispositif de la figure 2 est inchangé. The reservoir 30 is eliminated and the reservoir 26 filled with a mixture of petrol and oil for example, and slightly pressurized by the pressure tap 32, directly feeds the motor 3 through the conduit 31, as well as the pulsoreactor 8 by through the diaphragm pump 27. The rest of the device of Figure 2 is unchanged.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Propulseur, caractérisé en ce qu'il est composé d'une soufflante (1) mue par un moteur à explosion (3), d'une carène (5) enveloppant la soufflante (1) et le moteur (3) et finissant en une tuyère (7), et d'un pulsoréacteur (8) enveloppé par la carène (5) et situé derrière la soufflante (1). 1. Propellant, characterized in that it is composed of a blower (1) driven by an internal combustion engine (3), a hull (5) enveloping the blower (1) and the engine (3) and ending into a nozzle (7), and a pulsoreactor (8) enveloped by the hull (5) and located behind the blower (1). 2. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur à explosion (3) et le pulsoréacteur (8) sont montés sur un bâti support commun (14). 2. Propellant according to claim 1, characterized in that the internal combustion engine (3) and the pulsoreactor (8) are mounted on a common support frame (14). 3. Propulseur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur à explosion (3) est muni d'un conduit d'échappement (21) débouchant dans le pulsoréacteur (8) et dans lequel débouche un conduit d'alimentation (16) du pulsoréacteur en carburant. 3. Propellant according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the internal combustion engine (3) is provided with an exhaust duct (21) opening into the pulsoreactor (8) and into which opens a duct supply (16) of the jet engine with fuel. 4. Propulseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un carburant (26) commun au moteur à explosion (3) et au pulsoréacteur (8).  4. Propellant according to claim 1, characterized in that it comprises a fuel (26) common to the internal combustion engine (3) and to the pulsoreactor (8).