FR2566842A1 - Fixing nozzles in injection head - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé pour la fixation inamovible des injecteurs dans la tête d'injection de chambres de combustion de moteurs-fusées
Pour des moteurs-fusées, la tête d'injection a d'une manière générale pour fonction d'introduire dans la chambre de combustion les combustibles qui y entrent en réaction -hydrogène et oxygène par exemple- de manière à obtenir une répartition la plus uniforme possible et un mélange le plus intime possible de l'hydrogène et de l'oxygène, ce qui accélére la réaction, élève le degré de combustion et raccourcit la distance de combustion -et par suite la longueur de la chambre de combustion.Une condition nécessaire pour que le mélange des deux combustibles soit à la fois rapide et le plus intégral possible est que la quantité totale de combustible soit répartie en une multiplicité de petites quantités partielles ; ceci est par exemple assuré au moyen d'une multiplicité d'injecteurs serrés les uns à côté des autres à l'avant de la tête d'injection. Un tel agencement des injecteurs est par exemple présenté par le brevet US-3 270 499, selon leque les injecteurs sont individuellement bloqués à vis ou rapportes de façon étanche dans une plaque frontale de la tête d'injection (figure 3). Ici, l'un des combustibles est introduit dans la chambre de combustion par les injecteurs eux-mêmes, tandis que l'autre combustible est introduit par l'intermédiaire du réseau intersticiel formé par le faible écart entre les différents injecteurs.Method for the non-removable fixing of injectors in the injection head of rocket engine combustion chambers
For rocket engines, the injection head generally has the function of introducing into the combustion chamber the fuels which enter into reaction therein - hydrogen and oxygen for example - so as to obtain a most uniform distribution possible and as intimate a mixture as possible of hydrogen and oxygen, which accelerates the reaction, increases the degree of combustion and shortens the distance of combustion - and consequently the length of the combustion chamber. so that the mixture of the two fuels is both rapid and as integral as possible is that the total quantity of fuel is divided into a multiplicity of small partial quantities; this is for example ensured by means of a multiplicity of injectors clamped one beside the other at the front of the injection head. Such an arrangement of the injectors is for example presented by US Pat. No. 3,270,499, according to which the injectors are individually locked in screw or attached in a sealed manner in a front plate of the injection head (FIG. 3). Here, one of the fuels is introduced into the combustion chamber by the injectors themselves, while the other fuel is introduced via the interstitial network formed by the small gap between the different injectors.
En matière d'installation des injecteurs dans la tête d'injection de chambres de combustion de moteurs-fusées, deux exigences techniques fondamentales sont déterminantes : il s'agit d'une part de l'influence positive à exercer sur la qualité du processus de réaction -ce qui, comme on l'a déjà mentionné, est obtenu par un nombre maximal d'injecteurs par unité de surface, permettant de disposer de quantités partielles injectées les plus petites possibles-, et d'autre part de la qualité du mode d'agencement des injecteurs qui, face à des conditions de service extrèmement sévères, exige une fixation à la fois absolument fiable et hydrauliquement étanche. A celà s'ajoute la nécessité d'un mode de fabrication économique du point de vue des coûts de matières et de main-d'oeuvre, notamment en cas de fabrication en série. In terms of the installation of injectors in the injection head of rocket engine combustion chambers, two fundamental technical requirements are decisive: on the one hand, there is the positive influence to be exerted on the quality of the process. reaction - which, as already mentioned, is obtained by a maximum number of injectors per unit area, allowing to have the smallest possible partial quantities injected -, and on the other hand the quality of the mode arrangement of injectors which, in the face of extremely severe operating conditions, requires an attachment which is both absolutely reliable and hydraulically sealed. Added to this is the need for an economical manufacturing method from the point of view of material and labor costs, especially in the case of mass production.
Sur ces points, les configurations proposées par le brevet US-3 270 499 présentent l'inconvénient que les nombreux taraudages pratiqués dans la plaque frontale pour installer les différents injecteurs affaiblissent la solidité de cette plaque, et ne permettent pas de choisir des écartements extrèmement restreints entre les alésages. En outre, avec les bagues d'étanchéité élastiques employées pour les assemblages filetés, il est extrèmement difficile d'assurer une étanchéité parfaite de ces assemblages vis-à-vis de fluides corrosifs lorsque, comme c'est le cas ici, ils sont soumis à des conditions de service très sévères.On connatt également une méthode permettant d'éliminer ces difficultés : elle consiste à réaliser en une seule pièce la tête d'injection munie des corps d'injecteurs, en façonnant mécaniquement les corps d'injecteurs dans la masse. Ce procédé de fabrication est long et coûteux. Les autres procédés de fixation courants, tels que l'encastrage, le simple brasage ou le soudage conventionnel des différents injecteurs, ne sont pas sans poser de problèmes face aux conditions de service exceptionnelles en présence, ou bien sont partiellement irréalisables pour des questions de technique de fabrication. On these points, the configurations proposed by patent US Pat. between bores. In addition, with the elastic sealing rings used for threaded connections, it is extremely difficult to ensure perfect sealing of these connections against corrosive fluids when, as is the case here, they are subjected We also know a method which makes it possible to eliminate these difficulties: it consists in producing in one piece the injection head fitted with injector bodies, by mechanically shaping the injector bodies in the mass. This manufacturing process is long and expensive. The other common fixing methods, such as embedding, simple soldering or conventional welding of the different injectors, are not without problems in the face of the exceptional service conditions present, or are partially impractical for technical reasons. Manufacturing.
La présente invention a pour objectif de proposer un procédé de fixation des différents injecteurs qui permette de supprimer toutes les difficultés rencontrées dans cette application particulière, qui garantisse une sécurité de fonctionnement absolue, et qui permette d'installer sans problèmes un nombre maximal d'injecteurs sur la tête d'injection. The object of the present invention is to propose a method for fixing the different injectors which makes it possible to remove all the difficulties encountered in this particular application, which guarantees absolute operating safety, and which allows the maximum number of injectors to be installed without problems. on the injection head.
Le procédé selon l'invention atteint cet objectif par le fait que la fixation inamovible des embases des injecteurs dans la tête d'injection est effectuée par soudage par diffusion en fixant, avant le soudage par diffusion, avec un ajustement serré garantissant le processus de diffusion ultérieur, les embases notamment cylindriques dans des alésages correspondants, à surface densifiée, pratiqués dans la tête d'injection, le diamètre extérieur des embases étant, par l'application d'une couche intermédiaire nécessaire pour le soudage par diffusion ultérieur, amené à la surcote nécessaire par rapport au diamètre intérieur des alésages pour produire l'ajustement serré, et la tête d'injection étant chauffée à la température de montage permettant l'introduction des embases relativement froides dans les alésages, puis en chauffant la tête d'injection munie des injecteurs ou de leurs embases, et éventuellement entretemps refroidie, à la température nécessaire pour le soudage par diffusion, température qui est maintenue notamment jusqu'à la dissolution du matériau de la couche intermédiaire ou jusqu'à sa diffusion complète dans les éléments voisins, à la suite de quoi la tête d'injection encore chaude munie des injecteurs est refroidie à la température ambiante à une rapidité telle qu'il s'ensuit une amélioration de structure en vue d'un accroissement de la résistance. The method according to the invention achieves this objective by the fact that the non-removable fixing of the injector bases in the injection head is carried out by diffusion welding by fixing, before diffusion welding, with a tight adjustment guaranteeing the diffusion process. subsequent, the bases in particular cylindrical in corresponding bores, with densified surface, formed in the injection head, the outside diameter of the bases being, by the application of an intermediate layer necessary for welding by subsequent diffusion, brought to the necessary increase relative to the internal diameter of the bores to produce the tight fit, and the injection head being heated to mounting temperature allowing the introduction of relatively cold bases in the bores, then by heating the injection head provided injectors or their bases, and possibly cooled in the meantime, to the temperature necessary for diffusion welding, te mperature which is maintained in particular until the material of the intermediate layer dissolves or until its complete diffusion in the neighboring elements, after which the still hot injection head provided with the injectors is cooled to room temperature at a speed such that it follows an improvement in structure with a view to increasing resistance.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, la température de montage à laquelle est amenée la tête d'injection pour l'introduction des embases dans ses alésages est, pour une tête d'injection réalisée en acier au nickel et des injecteurs réalisés dans le même matériau, de 250 à 6000C. According to an additional characteristic of the invention, the mounting temperature to which the injection head is brought for the introduction of the bases in its bores is, for an injection head made of nickel steel and injectors made in the same material, from 250 to 6000C.
Selon une nouvelle caractéristique de l'invention, la température de soudage par diffusion est de 970 à 11200C lorsqu'on emploie de l'or comme matériau pour la couche intermédiaire, et de 920 à 9800C lorsqu'on emploie du nickel-phosphore. According to a new characteristic of the invention, the diffusion welding temperature is from 970 to 11200C when using gold as the material for the intermediate layer, and from 920 to 9800C when using nickel-phosphorus.
Le procédé selon l'invention est un procédé en deux étapes, dont la première étape constite à fixer provisoirement les injecteurs par ajustement serré dans la tête d'injection, et dont la deuxième étape, à savoir le soudage par diffusion, a pour objet la fixation définitive des injecteurs. Ce procédé présente les avantages suivants
La fabrication aux dimensions exactes des embases de fixation des injecteurs, obtenue par l'application d'une couche intermédiaire, peut être par exemple tout simplement réalisée au moyen d'une fabrication en série en bain galvanique. Par ailleurs, l'obtention sur la tête d'injection, par des moyens mécaniques, d'alésages aux dimensions exactes et à surface densifiée -ce qu'on réalise par pression ou olivage d'évidement cylindriques préalésés ou ébauchés-, ne présente pas de difficultés techniques particulières.Ceci vaut également pour l'insertion des embases des injecteurs dans la tête d'injection chauffée à la température d'ajustement serré ou encore à la température de montage. Ce faisant, une nouvelle caractéristique de l'invention prévoit, à l'aide d'un dispositif de montage spécial, de prendre si;,,ultanément les différents injecteurs et de les enfoncer ensemble dans les alésages finis de la tête d'injection chauffée, de sorte que, même en cas d'écarts extrèmement faibles entre les différents points de fixation dans la plaque frontale de la tête d'injection, cette dernière ne soit pas déformée.La fixation provisoire conforme à l'invention des injecteurs dans la tête d'injection offre l'avantage spécifique de permettre de contrôler et de mesurer la position et l'orientation des injecteurs qui sont déjà fixés à leur place définitive, alors même que leur fixation définitive par soudage par diffusion n'est pas encore accomplie. Le cas échéant, il est possible d'effectuer des corrections par une action thermique localisée.The process according to the invention is a two-step process, the first step of which is to temporarily fix the injectors by tight fitting in the injection head, and the second step of which, namely diffusion welding, final fixing of the injectors. This process has the following advantages
The manufacture of the exact dimensions of the injector fixing bases, obtained by the application of an intermediate layer, can for example be quite simply carried out by means of mass production in a galvanic bath. Furthermore, obtaining on the injection head, by mechanical means, bores with exact dimensions and with densified surface -which is produced by pressing or oliving cylindrical recess pre-drilled or roughed-out, does not have particular technical difficulties. This also applies to the insertion of the injector bases in the injection head heated to the tight adjustment temperature or even to the mounting temperature. In doing so, a new feature of the invention provides, using a special mounting device, to take if; ,, subsequently the different injectors and to push them together into the finished bores of the heated injection head , so that, even in the event of extremely small differences between the various fixing points in the front plate of the injection head, the latter is not deformed. The provisional fixing according to the invention of the injectors in the head injection offers the specific advantage of making it possible to control and measure the position and orientation of the injectors which are already fixed in their final place, even though their final fixing by diffusion welding has not yet been accomplished. If necessary, corrections can be made by localized thermal action.
La deuxième étape du procédé, c'est-à-dire le soudage par diffusion, permet d'obtenir un assemblage absolument homogène des embases de fixation des injecteurs avec la tête d'injection, ce qui implique qu'en matière de résistance, l'élément intégral ainsi obtenu -à savoir la tête d'injection ou la plaque frontale de tête d'injection munie des différents injecteurs- agit comme s'il s'agissait d'un composant réalisé dans la masse, qui conserve son contour et est optimalement adapté aux sollicitations thermiques et mécaniques de l'exploitation. The second stage of the process, that is to say diffusion welding, makes it possible to obtain an absolutely homogeneous assembly of the fixing bases of the injectors with the injection head, which implies that in terms of resistance, the integral element thus obtained - namely the injection head or the front plate of the injection head provided with the different injectors - acts as if it were a component produced in the mass, which retains its outline and is optimally adapted to the thermal and mechanical stresses of operation.
En effet, le soudage par diffusion permet d'obtenir une zone de solution solide parfaite qui, par dissolution de la couche intermédiaire, apporte une liaison atomique entre la tête d'injection et les embases de fixation des injecteurs. La qualité du soudage par diffusion est encore améliorée par la densification préalable de la surface des alésages destinés à recevoir les embases des injecteurs.En outre, le traitement thermique de l'élément intégral "tête d'injection + injecteurs", qui suit immédiatement le soudage par diffusion sous la forme d'un refroidissement adéquatement rapide à la température ambiante, apporte une amélioration permanente de structure en vue d'un accroissement de résistance ; plus précisément, le traitement thermique -qui, pour de tels éléments de construction, est ha bituellement entrepris à la fin de la fabrication sous la forme d'un recuit de mise en solution en vue d'un accroissement de la résistance mécanique- est dans le cadre du procédé selon l'invention effectué immédiatement après le soudage par diffusion, de sorte que l'on fait l'économie de la phase de chauffage à la température de recuit.In fact, diffusion welding makes it possible to obtain a zone of perfect solid solution which, by dissolving the intermediate layer, provides an atomic bond between the injection head and the fixing bases of the injectors. The quality of diffusion welding is further improved by the prior densification of the surface of the bores intended to receive the injector bases. In addition, the heat treatment of the integral element "injection head + injectors", which immediately follows the diffusion welding in the form of adequately rapid cooling to room temperature, provides a permanent improvement in structure with a view to increasing strength; more specifically, the heat treatment -which, for such construction elements, is usually undertaken at the end of the manufacture in the form of a solution annealing with a view to increasing the mechanical strength- is in as part of the method according to the invention carried out immediately after diffusion welding, so that the heating phase is saved at the annealing temperature.
A cela s'ajoute que l'assemblage proposé est hydrauliquement étanche à 100 ós et reste étanche pendant toute la durée d'utilisation des pièces, ce qui est de première importance lorsqu'on emploie comme combustibles des fluides chimiques partiellement corrosifs. In addition, the proposed assembly is hydraulically tight at 100 ós and remains tight for the entire duration of use of the parts, which is of primary importance when partially corrosive chemical fluids are used as fuel.
En résumé, on peut affirmer que, par rapport aux procédés et pratiques connus jusqu'alors, le procédé selon l'invention est à la fois plus rentable et d'une meilleure qualité technique. In summary, it can be said that, compared with the methods and practices known hitherto, the method according to the invention is both more profitable and of better technical quality.
La description qui suit présente deux exemples de réalisation de l'invention figurés sur le dessin annexé. Ce dessin montre
à la figure 1 une partie de tête d'injection et des corps dlin- jecteurs reçus dans un dispositif de montage,
à la figure 2 des injecteurs complets à deux combustibles fixés dans la tête d'injection,
à la figure 3 des injecteurs monocombustible fixés dans une plaque frontale d'une tête d'injection.The following description presents two embodiments of the invention shown in the accompanying drawing. This drawing shows
in FIG. 1, a part of the injection head and of the injector bodies received in a mounting device,
in FIG. 2, complete two-fuel injectors fixed in the injection head,
in Figure 3 single fuel injectors fixed in a front plate of an injection head.
Comme le montre la figure 1, les embases cylindriques 1 des corps d'injecteurs 2a sont, par application d'une couche intermédiaire 3, amenés à un diamètre d présentant une surcote par rapport au diamètre intérieur D des alésages 4 finis pratiqués dans la tête d'injection 5, c'est-à-dire que le diamètre d est supérieur de 2 à 3 centièmes de millimètre au diamètre D correspondant (ce chiffre est donné à titre d'exemple ; sa valeur exacte dépend de celle donnée au diamètre).La tête d'injection 5 ou la plaque frontale 5a est alors chauffée, c'est-à-dire amenée à une température de montage de 250 à 600 C, de sorte que, par une dilatation thermique provisoire des alésages 4 à un diamètre intérieur D', les embases 1 peuvent être simultanément enfoncées dans les alésages 4 à l'aide du dispositif de montage 6, ceci étant rendu possible par le fait que D' est très légèrement supérieur à d. Lorsque la tête d'injection 5 ou la plaque frontale 5a est refroidie, les embases 1 se trouvent fixées avec précontrainte (ajustement serré) dans les alésages 4, de sorte que l'on peut contrôler et mesurer l'agencement des nombreux corps d'injecteurs 2a. As shown in FIG. 1, the cylindrical bases 1 of the injector bodies 2a are, by application of an intermediate layer 3, brought to a diameter d having an overhang relative to the internal diameter D of the finished bores 4 formed in the head injection 5, i.e. the diameter d is 2 to 3 hundredths of a millimeter greater than the corresponding diameter D (this figure is given as an example; its exact value depends on that given to the diameter) The injection head 5 or the front plate 5a is then heated, that is to say brought to an assembly temperature of 250 to 600 ° C., so that, by a temporary thermal expansion of the bores 4 to a diameter inside D ', the bases 1 can be simultaneously pushed into the bores 4 using the mounting device 6, this being made possible by the fact that D' is very slightly greater than d. When the injection head 5 or the front plate 5a is cooled, the bases 1 are fixed with pretension (tight fit) in the bores 4, so that one can check and measure the arrangement of the numerous bodies of injectors 2a.
La tête d'injection 5 ou la plaque frontale 5a munie des corps d'injecteurs 2a est ensuite chauffée dans un four à la température de soudage par diffusion, qui est de 970 à 11200C lorsqu'on emploie de l'or comme matériau pour la couche intermédiaire 3, et de 920 à 9800C lorsqu'on emploie du nickel-phosphore, et le processus de soudage par diffusion se déroule alors sous la pression de la précontrainte de l'ajustement serré préalable. Suite à ce processus, les deux composants, à savoir d'une part la plaque frontale 5a et d'autre part les nombreuses embases de fixation 1 de corps d'injecteurs 2a, sont assemblés de manière permanente par l'intermédiaire de zones de solution solide formée à partir de leurs matériaux respectifs et de la couche intermédiaire 3. The injection head 5 or the front plate 5a provided with the injector bodies 2a is then heated in an oven to the diffusion welding temperature, which is from 970 to 11200C when gold is used as material for the intermediate layer 3, and from 920 to 9800C when nickel-phosphorus is used, and the diffusion welding process then takes place under the pressure of the preload of the prior tight fit. Following this process, the two components, namely on the one hand the front plate 5a and on the other hand the numerous fixing bases 1 of injector bodies 2a, are permanently assembled by means of solution zones. solid formed from their respective materials and the intermediate layer 3.
Les injecteurs 2 présentés à la figure 2 ont été complétés. Il s'agit ici d'injecteurs à deux combustibles, avec lesquels l'oxygène très froid 0 est introduit dans la chambre de combustion B par les corps d'injecteurs 2a, tandis que l'hydrogène H chauffé à une température pouvant atteindre 10000C y est introduit par l'intermédiaire des espaces annulaires 7 qui se trouvent entre les gaines d'injecteurs 8 et les corps d'injecteurs 2a. Ceci montre bien à quelles sollicitations thermiques opposées est exposée la fixation des injecteurs, sans parler des vibrations auxquelles sont soumis les injecteurs 2. The injectors 2 presented in FIG. 2 have been completed. These are two fuel injectors, with which the very cold oxygen 0 is introduced into the combustion chamber B by the injector bodies 2a, while the hydrogen H heated to a temperature of up to 10000C y is introduced via the annular spaces 7 which are located between the injector sheaths 8 and the injector bodies 2a. This clearly shows to which opposite thermal stresses the attachment of the injectors is exposed, not to mention the vibrations to which the injectors 2 are subjected.
La figure 3 présente un agencement extrèmement resserré d'injecteurs monocombustible 2'. Ici, l'oxygène 0 est à nouveau introduit dans la chambre de combustion par les injecteurs 2', tandis que l'hydrogène très chaud H est injecté par les interstices 9 du réseau de têtes d'injecteurs 2'b. Cet exemple démontre avec particulièrement d'évidence la nécessité de poser des exigences de fabrication et de service particulièrement sévères en ce qui concerne la fixation des injecteurs. FIG. 3 shows an extremely tight arrangement of single-fuel injectors 2 ′. Here, the oxygen 0 is again introduced into the combustion chamber by the injectors 2 ′, while the very hot hydrogen H is injected through the interstices 9 of the network of injector heads 2 ′ b. This example demonstrates with particular evidence the need to lay down particularly severe manufacturing and service requirements with regard to the attachment of the injectors.
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Legal Events
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