EP2729691A1 - Element d'injection - Google Patents

Element d'injection

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Publication number
EP2729691A1
EP2729691A1 EP12738533.4A EP12738533A EP2729691A1 EP 2729691 A1 EP2729691 A1 EP 2729691A1 EP 12738533 A EP12738533 A EP 12738533A EP 2729691 A1 EP2729691 A1 EP 2729691A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
conduit
central body
propellant
combustion chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12738533.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe James
Carlos CRUZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Services SA
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA Services SA, SNECMA SAS filed Critical SNECMA Services SA
Publication of EP2729691A1 publication Critical patent/EP2729691A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M55/00—Fuel-injection apparatus characterised by their fuel conduits or their venting means; Arrangements of conduits between fuel tank and pump F02M37/00
    • F02M55/04—Means for damping vibrations or pressure fluctuations in injection pump inlets or outlets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/12—Interdigital mixers, i.e. the substances to be mixed are divided in sub-streams which are rearranged in an interdigital or interspersed manner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44—Feeding propellants
    • F02K9/52—Injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M43/00—Fuel-injection apparatus operating simultaneously on two or more fuels, or on a liquid fuel and another liquid, e.g. the other liquid being an anti-knock additive
    • F02M43/04—Injectors peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to an injection element of two propellants in a combustion chamber, more particularly designed for a rocket engine with at least one combustion chamber, of the type comprising an injector grouping one or a plurality of such injection elements.
  • the invention relates more particularly to an improvement made to such an injection element, in its downstream part where the mixing of the two propellants is carried out, in order to reduce the acoustic noise in the combustion chamber.
  • Patent document FR 2,712,030 A1 describes an injector of two propellants in a rocket engine combustion chamber comprising a feed structure where the two propellants feed a plurality of injection elements arranged parallel to each other, in an axisymmetric configuration on the surface of a so-called “injection plate” circular structure forming part of the injector.
  • injection plate can thus be associated with a large number of injection elements, for example up to a hundred or more, combining their unit rate to provide the overall flow of the engine.
  • each injection element comprises a first conduit for the injection of the first propellant, and a second conduit for the injection of the second propellant, the second duct being annular, coaxial and externally adjacent. at the first conduit.
  • annular duct means a duct whose radial section shows an annular flow section
  • tubular duct means a duct to the solid section.
  • upstream and downstream are defined according to the flow direction of the propellants.
  • the propellants are injected into the combustion chamber through coaxial ducts of the injection elements of the FR injector, the turbulences caused in the boundary layers between the concentric and adjacent flows can ensure homogeneous mixing.
  • two propellants by shear in their flow.
  • such a combustion chamber can generate, in operation, a combustion noise that could even enter into strong acoustic coupling with the vibratory eigenmodes of the chamber. Such acoustic vibrations can thus resonate, reaching amplitudes likely to cause irreversible damage to the combustion chamber and the injector.
  • damping devices at the periphery of the injection plate.
  • the most commonly used damping devices are the baffles and the acoustic cavities.
  • these damping devices have considerable disadvantages of increasing the mass, size, complexity and manufacturing costs of the combustion chamber, and will require, in addition additional validation tests, in particular their thermomechanical behavior in an extremely environment demanding.
  • the invention therefore aims at providing an injection element which makes it possible to remedy these drawbacks.
  • the first duct is also annular, surrounding a central body of the injection element, said central body having at least one cavity in communication with an external surface of the central body and configured to damp at least a predetermined acoustic frequency f.
  • said acoustic dampening cavity is configured as a Helmholtz resonator, with a volume V in communication with an outer surface of the central body through a port of section A and length l 0 .
  • a Helmholtz resonator has its own acoustic frequency according to the following equation:
  • a Helmholtz resonator tuned to a predetermined excitation frequency f makes it possible to dissipate at least part of the acoustic wave energy at this frequency.
  • the orifice connecting the cavity to the outer surface of the central body is substantially coaxial with said first and second conduits. In this way the orifice is oriented in the direction from which most of the combustion noise proceeds.
  • the cavity communicates directly with the first conduit through the orifice, which is pierced, laterally, in the outer surface of the central body. This allows damping acoustic waves propagating upstream by the first conduit.
  • said cavity is configured as an axial bore in the central body with a depth l p substantially equivalent to a quarter of the wavelength ⁇ corresponding to the acoustic frequency. f predetermined.
  • the term axial orientation is that of the flow of propellant. The cavity thus forms a quarter-wave tube for attenuating acoustic waves of frequency f.
  • an injection element in order to further improve the mixing of the two propellants downstream, further comprises a third duct, able to also inject the first propellant, said third conduit being annular and coaxial with the first and second conduits and externally adjacent to the second conduit.
  • the invention also relates to an injector comprising at least one injection element as described above, a combustion chamber comprising at least one such injector, and a rocket engine comprising at least one such combustion chamber.
  • combustion chamber is meant, in the present context, not only a single-element main combustion chamber of a rocket engine, but also, inter alia, one or more elements of a multi-element combustion chamber, a prechamber staged combustion engine, or a gas generator for, for example, the actuation of a propellant supply turbopump.
  • the invention also relates to a method of damping a combustion noise in a combustion chamber, in which a predetermined acoustic frequency is damped in a cavity of a central body of an injection element of a mixture two propellants in the combustion chamber, said injection element comprising, at least, a first annular duct for the injection of a first ergol externally adjacent to the central body, and a second duct for the injection of a second annular propellant, coaxial and externally adjacent to the first duct.
  • this injection element could further comprise a third duct, able to also inject the first propellant, said third duct being annular and coaxial with the first and second ducts and externally adjacent to the second duct.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c are longitudinal sections of injection elements according to first, second and third embodiments.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c are longitudinal sections of injection elements according to fourth, fifth and sixth embodiments.
  • FIG. 1 A rocket engine 1 with liquid propellants, in particular cryogenic liquid propellants, is illustrated schematically in FIG. 1.
  • This rocket engine 1 comprises a tank 2 for the first propellant, a tank 3 for the second propellant, a gas generator 4 powered. by the first and second propellants, a turbopump 5 actuated by the combustion gases from the gas generator 4, a main combustion chamber 6 fed with propellants by the turbopump 5, and a convergent-divergent nozzle 7 for the propulsive ejection of combustion gases generated in the main combustion chamber 6.
  • these components comprise propellant injection elements making it possible to obtain a homogeneous mixture and distribution of the propellants.
  • these injection elements are mounted on an injection plate fed by the injected propellants.
  • FIG. 2a shows the end portion of an injection element 201 with a tri-coaxial structure for injecting and mixing two propellants E1, E2.
  • the injection element 201 has an axis of symmetry X, which is also the main axis of flow propellants El, E2. The way in which the different constituent parts of this injection element are arranged relative to one another and held in their respective positions while being connected to the two propellant supply circuits El, E2, is not shown.
  • the injection element 201 comprises, in its end portion, three tubular walls 202, 203, 204 concentric around a central body 205 so as to form a first, second and third annular and coaxial ducts 206, 207, 207.
  • a shrinkage RE is defined between the end of the outer shell, i.e., the outermost tubular wall 204 and the intermediate walls 202, 203.
  • the outer wall 204 may be part of the injection plate itself, and the walls Intermediates 202,203 could be integrated into a single united body upstream.
  • the first and third ducts 206, 208 are configured for the injection of the first ergol El, while the second duct 207, located radially adjacent to the outside of the first duct 206 and inside the third duct 208, is configured for the injection of the second propellant E2.
  • the first and the second propellants El, E2 being injected at different speeds during the operation of the injection element 201, the shears inside and outside the annular flow of the second propellant E2 in the recess RE, produce turbulence in the flows of the two propellants E1, E2 ensuring a homogeneous mixture of the two propellants E1, E2.
  • the three ducts 206, 207 and 208 are annular, the dimensioning of the injection element 201 can easily be adapted to the total flow rate of propellants required.
  • the central body 205 has a cavity 209 of volume V, closed by a plate 210 perforated by an orifice 211 substantially aligned with the central axis X of the injection element.
  • the orifice 211 has a section A and a length l 0 and communicates the cavity 209 with an outer surface 212 of the central body 205 facing the combustion chamber 213.
  • the cavity 209 with the orifice 211 thus form a resonator of Helmholtz of proper frequency f according to the equation:
  • a combustion noise of a predetermined frequency such as for example a frequency that can cause resonance effects with the structure of the combustion chamber, can be damped effective.
  • the injection element 201 is also a tricoaxial type element with tubular walls 202, 203, 204 forming a first, second and third annular and coaxial ducts 206, 207, 207, around a body Central 205.
  • a recess RE is defined between the end of the outer shell, i.e. the outermost tubular wall 204, and the intermediate tubular walls 202 and 203.
  • the first and third ducts 206, 208 are also configured for the injection of the first ergol El, while the second duct 207, located radially adjacent to the outside of the first duct 206 and inside the third duct 208, is configured for the injection of the second propellant E2.
  • the orifice 211 is not pierced in the plate 210 closing the cavity 209 of the central body 205, but laterally in the outer surface 212 of the central body 205, so as to put the cavity 209 in direct communication with the first conduit 206, and this to damp the acoustic waves propagating in the recess RE and in the first conduit 206.
  • the injection element 201 is also a tricoaxial type element with tubular walls 202, 203, 204 forming a first, second and third annular and coaxial ducts 206, 207, 207 around a central body 205.
  • a recess RE is defined between the end of the outer shell, i.e. the outermost wall 204, and the intermediate walls 202 and 203
  • the first and third ducts 206, 208 are also configured for the injection of the first ergol El, while the second duct 207, located radially adjacent to the outside of the first duct 206 and inside the third duct 208, is configured for the injection of the second propellant E2.
  • the cavity 208 is not closed by a plate, but is configured as an axial bore of diameter d in the central body 205, open towards the combustion chamber 214 and blind, and having a depth l p substantially equivalent to a quarter of the wavelength ⁇ corresponding to the predetermined acoustic frequency f that is meant to be damped.
  • the cavity 209 functions as a quarter-wave tube for damping combustion noise during operation of the combustion chamber 214.
  • the injection element 201 comprises, in its end part, two concentric tubular walls 202, 204 around a central body 205 so as to form a first and a second ducts 206,207 annular and coaxial.
  • a shrinkage RE is defined between the end of the outer shell, that is to say the outer tubular wall 204 and the intermediate wall 202.
  • the wall 204 may be integrated into the injection plate itself.
  • the first conduit 206 is configured for the injection of the first ergol El
  • the second conduit 207 located radially adjacent to the outside of the first conduit 206, is configured for the injection of the second propellant E2.
  • the first and the second propellants E1, E2 being injected at different speeds during the operation of the injection element 201, the shear between the annular flows of the two propellants El, E2 in the RE shrinkage produce turbulence ensuring a homogeneous mixture two propellants El, E2.
  • the two ducts 206, 207 are annular, the dimensioning of the injection element 201 can easily be adapted to the total flow rate of propellants required.
  • the central body 205 has a cavity 209 of volume V, closed by a plate 210 perforated by an orifice 211 substantially aligned with the central axis X of the injection element.
  • the orifice 211 has a section A and a length l 0 and communicates the cavity 209 with an outer surface 212 of the central body 205 facing the combustion chamber 213.
  • the cavity 209 with the orifice 211 thus form a resonator of Helmholtz of own frequency f.
  • the injection element 201 also comprises, in its end part, two concentric tubular walls 202, 204 around a central body 205 so as to form a first and a second annular and coaxial conduits 206,207.
  • a shrinkage RE is also defined between the end of the outer shell, that is to say the outer tubular wall 204 and the intermediate wall 202.
  • the first conduit 206 is configured for the injection of the first ergol El, while the second conduit 207, located radially adjacent to the outside of the first conduit 206, is configured for the injection of the second propellant E2.
  • the cavity 209 formed by an axial bore in the central body 205 is placed in direct communication with the first conduit 206 through an orifice 211 pierced, laterally, in the outer surface 212 of the central body 205, in order to put the cavity 209 in direct communication with the first conduit 206, and to form a Helmholtz resonator for damping the acoustic waves propagating in the recess RE and in the first conduit 206.
  • the injection element 201 also comprises, in its end part, two concentric tubular walls 202, 204 around a central body 205 so as to form a first and an second ducts 206,207 annular and coaxial, respectively configured for the injection of a first and a second propellant El, E2.
  • a shrinkage RE is also defined between the end of the outer shell, that is to say the outer tubular wall 204 and the intermediate wall 202.
  • the cavity 209 is not closed by a plate, but is configured as an axial bore of diameter d in the central body 205, open towards the combustion chamber 214 and blind, and having a depth l p substantially equivalent to a quarter of the wavelength ⁇ corresponding to the predetermined acoustic frequency f that is meant to be damped.

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Abstract

L'invention concerne le domaine des éléments d'injection (201) de deux ergols (E1,E2) dans une chambre de combustion, plus particulièrement conçu pour un moteur fusée avec au moins une chambre de combustion du type comprenant un injecteur regroupant un ou une pluralité de tels éléments d'injection (201). Un tel élément d'injection (201) comprend un premier conduit annulaire (206) pour l'injection d'un premier ergol (E1), et un deuxième conduit annulaire (207) pour l'injection d'un deuxième ergol (E2), le deuxième conduit (207) étant coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit (206), et potentiellement un troisième conduit (208) annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au deuxième conduit (207). Le premier conduit (206) entoure un corps central (205) de l'élément d'injection (201), ledit corps central (205) comportant une cavité (209) en communication avec une surface externe (212) du corps central (205) et configurée pour amortir au moins une fréquence acoustique f prédéterminée.

Description

ELEMENT D'INJECTION
La présente invention concerne un élément d'injection de deux ergols dans une chambre de combustion, plus particulièrement conçu pour un moteur fusée avec au moins une chambre de combustion, du type comprenant un injecteur regroupant un ou une pluralité de tels éléments d'injection. L'invention concerne plus particulièrement un perfectionnement apporté à un tel élément d'injection, dans sa partie aval où s'effectue le mélange des deux ergols, afin de réduire le bruit acoustique dans la chambre de combustion.
Le document de brevet FR 2 712 030 Al décrit un injecteur de deux ergols dans une chambre de combustion de moteur fusée comprenant une structure d'alimentation où les deux ergols alimentent une pluralité d'éléments d'injection agencés parallèlement les uns aux autres, dans une configuration axisymétrique sur la surface d'une structure dite « plaque d'injection », circulaire, faisant partie de l'injecteur. Une telle plaque d'injection peut ainsi être associée à un assez grand nombre d'éléments d'injection, par exemple jusqu'à une centaine ou plus, conjuguant leur débit unitaire pour fournir le débit global du moteur.
Dans cet injecteur de l'état de la technique, chaque élément d'injection comprend un premier conduit pour l'injection du premier ergol, et un deuxième conduit pour l'injection du deuxième ergol, le deuxième conduit étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit.
Dans le présent contexte on entend par « conduit annulaire » un conduit dont une coupe radiale fait apparaître une section débitante annulaire, tandis que par « conduit tubulaire » on entend un conduit à la section pleine. En outre, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols.
Ainsi, les ergols étant injectés dans la chambre de combustion à travers des conduits coaxiaux des éléments d'injection de l'injecteur de FR 2 712 030 Al, les turbulences provoquées dans les couches limites entre les débits concentriques et adjacents peuvent assurer un mélange homogène des deux ergols par cisaillement dans leur écoulement.
Toutefois, à partir de ce concept de base, dans lequel le premier conduit est tubulaire, on rencontre des difficultés à faire évoluer les paramètres géométriques pour augmenter la puissance individuelle dudit élément d'injection sans dégrader la qualité de l'injection et de la combustion.
En outre, une telle chambre de combustion peut générer, en fonctionnement, un bruit de combustion qui pourrait même entrer en couplage acoustique fort avec les modes propres vibratoires de la chambre. Des telles vibrations acoustiques peuvent ainsi entrer en résonance, atteindre des amplitudes susceptibles de causer des dommages irréversibles à la chambre de combustion et à l'injecteur.
On a précédemment essayé de réduire le niveau acoustique dans de telles chambres de combustion avec des dispositifs amortisseurs en périphérie de la plaque d'injection. Les dispositifs amortisseurs les plus communément employés sont les déflecteurs (en anglais « baffles ») et les cavités acoustiques. Toutefois, ces dispositifs amortisseurs présentent des inconvénients considérables d'augmentation de la masse, encombrement, complexité et coûts de fabrication de la chambre de combustion, et nécessiteront, en outre des essais de validation additionnels, en particulier de leur tenue thermomécanique dans un environnement extrêmement exigeant.
L'invention vise donc à proposer un élément d'injection qui permette de remédier à ces inconvénients.
Ce but est atteint grâce au fait que le premier conduit est aussi annulaire, entourant un corps central de l'élément d'injection, ledit corps central comportant au moins une cavité en communication avec une surface externe du corps central et configurée pour amortir au moins une fréquence acoustique f prédéterminée.
Grâce à ces dispositions, on peut réduire la section de passage du premier ergol circulant dans le premier conduit en jouant sur le diamètre du corps central. Par conséquent, même si on augmente les sections de passage de tous les conduits pour augmenter la puissance d'un tel élément d'injection, il est possible de faire en sorte que la vitesse de l'ergol circulant dans le premier conduit, annulaire, ne diminue pas, toutes choses égales par ailleurs. La qualité de l'injection et de la combustion peut ainsi être maintenue de manière indépendante au dimensionnement de l'élément d'injection. En outre, l'intégration de la cavité d'amortissement acoustique dans le corps central permet son intégration dans l'injecteur, sans encombrement supplémentaire, et place les moyens d'amortissement à proximité immédiate des sources de bruit.
Dans certains modes de réalisation, ladite cavité d'amortissement acoustique est configurée comme résonateur de Helmholtz, avec un volume V en communication avec une surface externe du corps central à travers un orifice de section A et longueur l0. Un tel résonateur de Helmholtz présente une fréquence acoustique propre suivant l'équation suivante :
dans laquelle c représente la vitesse de propagation du son dans le fluide contenu dans la cavité. Un résonateur de Helmholtz accordé à une fréquence d'excitation f prédéterminée permet de dissiper au moins en partie l'énergie d'ondes acoustiques à cette fréquence.
Dans un mode de. réalisation particulier d'un tel élément d'injecteur, l'orifice reliant la cavité à la surface externe du corps central est sensiblement coaxial auxdits premier et deuxième conduits. De cette manière l'orifice est orienté dans la direction de laquelle procède la plus grande partie du bruit de combustion.
Dans un mode de réalisation alternatif, la cavité communique directement avec le premier conduit à travers l'orifice, lequel est percé, latéralement, dans la surface externe du corps central. Ceci permet l'amortissement des ondes acoustiques se propageant en direction amont par le premier conduit.
Alternativement à la configuration en résonateur de Helmholtz, dans d'autres modes de réalisation, ladite cavité est configurée comme un perçage axial dans le corps central avec une profondeur lp sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée. Dans le présent contexte, on entend par orientation axiale celle de l'écoulement des ergols. La cavité forme ainsi un tube quart d'onde permettant l'atténuation d'ondes acoustiques de fréquence f.
Afin d'encore améliorer le mélange des deux ergols en aval, un élément d'injection suivant certains modes de réalisation comporte en outre un troisième conduit, apte à injecter aussi le premier ergol, ledit troisième conduit étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits et extérieurement adjacent au deuxième conduit. Ainsi, un double cisaillement de l'écoulement du deuxième ergol entre un débit intérieur et un débit extérieur du premier ergol peut résulter en une encore meilleure homogénéisation du mélange.
L'invention concerne également un injecteur comportant au moins un élément d'injection tel que décrit ci-dessus, une chambre de combustion comportant au moins un tel injecteur, ainsi qu'un moteur fusée comportant au moins une telle chambre de combustion. Par « chambre de combustion » on entend, dans le présent contexte, non seulement une chambre de combustion principale mono-élément d'un moteur fusée, mais aussi, entre autres, un ou plusieurs éléments d'une chambre de combustion multiéléments, une préchambre de moteur à combustion étagée, ou un générateur de gaz pour, par exemple, l'actionnement d'une turbopompe d'alimentation en ergols.
L'invention concerne également un procédé d'amortissement d'un bruit de combustion dans une chambre de combustion, dans lequel une fréquence acoustique f prédéterminée est amortie dans une cavité d'un corps central d'un élément d'injection d'un mélange de deux ergols dans la chambre de combustion, ledit élément d'injection comprenant, au moins, un premier conduit annulaire pour l'injection d'un premier ergol extérieurement adjacent au corps central, et un deuxième conduit pour l'injection d'un deuxième ergol annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit. En particulier, mais pas nécessairement, cet élément d'injection pourrait en outre comprendre un troisième conduit, apte à injecter aussi le premier ergol, ledit troisième conduit étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits et extérieurement adjacent au deuxième conduit.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de trois modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un moteur fusée à ergols liquides ; - les figures 2a, 2b et 2c sont des coupes longitudinales d'éléments d'injection suivant un premier, un deuxième et un troisième modes de réalisation ; et
- les figures 3a, 3b et 3c sont des coupes longitudinales d'éléments d'injection suivant un quatrième, un cinquième et un sixième modes de réalisation.
Un moteur fusée 1 à ergols liquides, en particulier à ergols liquides cryogéniques, est illustré schématiquement sur la figure 1. Ce moteur fusée 1 comporte un réservoir 2 pour le premier ergol, un réservoir 3 pour le deuxième ergol, un générateur de gaz 4 alimenté par les premier et deuxième ergols, une turbopompe 5 actionné par les gaz de combustion provenant du générateur de gaz 4, une chambre de combustion principale 6 alimentée en ergols par la turbopompe 5, et une tuyère convergente- divergente 7 pour l'éjection propulsive des gaz de combustion générés dans la chambre de combustion principale 6.
Afin d'obtenir une combustion efficace tant dans le générateur de gaz 4 que dans la chambre de combustion principale 6, ces composants comportent des éléments d'injection des ergols permettant d'obtenir un mélange et une distribution homogènes des ergols. Typiquement, ces éléments d'injection sont montés sur une plaque d'injection alimentée par les ergols injectés.
Sur la figure 2a, on a représenté la partie terminale d'un élément d'injection 201 à structure tri-coaxiale pour l'injection et le mélange de deux ergols El, E2. L'élément d'injection 201 présente un axe de symétrie X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols El, E2. La façon dont les différentes parties constitutives de cet élément d'injection sont agencées les unes par rapport aux autres et maintenues dans leurs positions respectives tout en étant connectées aux deux circuits d'alimentation des ergols El, E2, n'est pas représentée.
L'élément d'injection 201 comprend, dans sa partie terminale, trois parois tubulaires 202,203,204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier, un deuxième et un troisième conduits 206,207,208 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire plus externe 204 et les parois intermédiaires 202,203. La paroi externe 204 peut être part de la plaque d'injection elle-même, et les parois intermédiaires 202,203 pourraient être intégrées dans un seul corps uni en amont.
Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont configurés pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Le premier et le deuxième ergols El, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, les cisaillements à l'intérieur et à l'extérieur du flux annulaire du deuxième ergol E2 dans le retrait RE, produisent des turbulences dans les flux des deux ergols E1,E2 assurant un mélange homogène des deux ergols El, E2. En outre, comme les trois conduits 206, 207 et 208 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis.
Dans ce premier mode de réalisation, le corps central 205 comporte une cavité 209 de volume V, fermée par une plaque 210 perforée par un orifice 211 sensiblement aligné avec l'axe central X de l'élément d'injection. L'orifice 211 présente une section A et une longueur l0 et met en communication la cavité 209 avec une surface externe 212 du corps central 205 face à la chambre de combustion 213. La cavité 209 avec l'orifice 211 forment ainsi un résonateur de Helmholtz de fréquence propre f suivant l'équation :
Grâce à ce résonateur de Helmholtz, il est possible de dissiper au moins une partie de l'énergie acoustique émise par la combustion à cette fréquence f. Avec un dimensionnement approprié de la cavité 209 et de l'orifice 211 un bruit de combustion d'une fréquence f prédéterminée, comme par exemple une fréquence pouvant provoquer des effets de résonance avec la structure de la chambre de combustion, peut être amorti de manière efficace.
Dans un deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 2b, l'élément d'injection 201 est aussi un élément de type tricoaxial avec des parois tubulaires 202,203,204 formant un premier, un deuxième et un troisième conduits 206,207,208 annulaires et coaxiaux autour d'un corps central 205. Comme dans le premier mode de réalisation, un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire 204 la plus externe, et les parois tubulaires intermédiaires 202 et 203. Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont aussi configurés pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2.
Par contre, dans ce deuxième mode de réalisation, l'orifice 211 n'est pas percé dans la plaque 210 refermant la cavité 209 du corps central 205, mais, latéralement, dans la surface externe 212 du corps central 205, de manière à mettre la cavité 209 en communication directe avec le premier conduit 206, et ceci pour amortir les ondes acoustiques se propageant dans le retrait RE et dans le premier conduit 206.
Dans un troisième mode de réalisation, illustré sur la figure 2c, l'élément d'injection 201 est aussi un élément de type tricoaxial avec des parois tubulaires 202,203,204 formant un premier, un deuxième et un troisième conduits 206,207,208 annulaires et coaxiaux autour d'un corps central 205. Comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à- dire la paroi 204 la plus externe, et les parois intermédiaires 202 et 203. Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont aussi configurés pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2.
Par contre, dans ce troisième mode de réalisation, la cavité 208 n'est pas refermée par une plaque, mais est configurée comme un perçage axial de diamètre d dans le corps central 205, ouvert en direction de la chambre de combustion 214 et borgne, et présentant une profondeur lp sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée qu'on entend amortir. Ainsi, la cavité 209 fonctionne comme un tube quart d'onde pour amortir des bruits de combustion lors du fonctionnement de la chambre de combustion 214.
Bien que les premier, deuxième et troisième modes de réalisation concernent des éléments d'injection tri-coaxiaux, le même concept peut aussi être appliqué à des éléments d'injection coaxiaux simples. Ainsi, dans un quatrième mode de réalisation illustré sur la figure 3a, l'élément d'injection 201 comprend, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202. La paroi 204 peut être intégrée dans la plaque d'injection elle-même.
Le premier conduit 206 est configuré pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Le premier et le deuxième ergols El, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, le cisaillements entre les flux annulaires des deux ergols El, E2 dans le retrait RE produisent des turbulences assurant un mélange homogène des deux ergols El, E2. En outre, comme les deux conduits 206, 207 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis.
Comme dans le premier mode de réalisation, le corps central 205 comporte une cavité 209 de volume V, fermée par une plaque 210 perforée par un orifice 211 sensiblement aligné avec l'axe central X de l'élément d'injection. L'orifice 211 présente une section A et une longueur l0 et met en communication la cavité 209 avec une surface externe 212 du corps central 205 face à la chambre de combustion 213. La cavité 209 avec l'orifice 211 forment ainsi un résonateur de Helmholtz de fréquence propre f.
Dans un cinquième mode de réalisation illustré sur la figure 3b, l'élément d'injection 201 comprend aussi, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est aussi défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202.
Comme dans les modes de réalisation précédents, le premier conduit 206 est configuré pour l'injection du premier ergol El, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2.
Comme dans le deuxième mode de réalisation, la cavité 209, formée par un perçage axial dans le corps central 205 est mise en communication directe avec le premier conduit 206 par un orifice 211 percé, latéralement, dans la surface externe 212 du corps central 205, de manière à mettre la cavité 209 en communication directe avec le premier conduit 206, et former un résonateur de Helmholtz servant à amortir les ondes acoustiques se propageant dans le retrait RE et dans le premier conduit 206.
Finalement, dans un sixième mode de réalisation illustré sur la figure 3c l'élément d'injection 201 comprend aussi, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux, configurés respectivement pour l'injection d'un premier et d'un deuxième ergol El, E2. Un retrait RE est aussi défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202.
Comme dans le troisième mode de réalisation, la cavité 209 n'est pas refermée par une plaque, mais est configurée comme un perçage axial de diamètre d dans le corps central 205, ouvert en direction de la chambre de combustion 214 et borgne, et présentant une profondeur lp sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée qu'on entend amortir.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, bien que dans chaque mode de réalisation illustré le corps central ne comporte qu'une seule cavité d'amortissement acoustique, dans des injecteurs suivant d'autres modes de réalisation plusieurs cavités d'amortissement acoustique, du même type et/ou de types différents, peuvent être incorporées dans le corps central. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés et/ou décrits peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Elément d'injection (201) d'un mélange de deux ergols (E1,E2) dans une chambre de combustion (4,6), comprenant, au moins, un premier conduit (206) pour l'injection d'un premier ergol (El), et un deuxième conduit (207) pour l'injection d'un deuxième ergol (E2), le deuxième conduit (207) étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit (206),
l'élément d'injection (201) étant caractérisé en ce que ie premier conduit (206) est aussi annulaire, entourant un corps central (205) de l'élément d'injection (201), ledit corps central (205) comportant au moins une cavité (209) en communication avec une surface externe (212) du corps central (205) et configurée pour amortir au moins une fréquence acoustique f prédéterminée.
2. Elément d'injection (201) suivant la revendication 1, dans lequel ladite cavité (209) est configurée comme résonateur de Helmholtz, avec un volume V en communication avec la surface externe (212) du corps central (205) à travers un orifice (211) de section A et longueur l0.
3. Elément d'injection (201) suivant la revendication 2, dans lequel ledit orifice (211) est: sensiblement coaxial aux premier et deuxième conduits (206,207).
4. Elément d'injection (201) suivant la revendication 2, dans lequel la cavité (209) communique directement avec le premier conduit (206) à travers l'orifice (211), lequel est percé, latéralement, dans la surface externe (212).
5. Elément d'injection (201) suivant la revendication 1, dans lequel ladite cavité (209) est configurée comme un perçage axial dans le corps central (205) avec une profondeur lp sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde λ correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée.
6. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre un troisième conduit (208), configuré pour injecter le premier ergol (El), ledit troisième conduit (208) étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits (206,207) et extérieurement adjacent au deuxième conduit (207).
7. Injecteur comportant au moins un élément d'injection (201) suivant une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Chambre de combustion (4,6) comportant au moins un injecteur suivant la revendication 7.
9. Moteur fusée (1) comportant au moins une chambre de combustion (4,6) suivant la revendication 8.
10. Procédé d'amortissement d'un bruit de combustion dans une chambre de combustion (4,6), dans lequel une fréquence acoustique f prédéterminée est amortie dans une cavité (209) d'un corps central (205) d'un élément d'injection (201) d'un mélange de deux ergols (E1,E2) dans la chambre de combustion (4,6), ledit élément d'injection (201) comprenant, au moins, un premier conduit annulaire (206) pour l'injection d'un premier ergol (El) extérieurement adjacent au corps central (205), et un deuxième conduit (207) pour l'injection d'un deuxième ergol (E2) annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit (206).
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