FR2675850A1 - Injecteur de carburant pour statoreacteur. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un injecteur de carburant pour statoréacteur. Elle se rapporte à un injecteur qui comprend un corps (42) de forme générale allongée, au moins un orifice d'entrée de carburant (38) raccordé au corps, au moins un orifice de sortie de carburant (40), et au moins un col (42) placé à l'intérieur du corps et dans lequel le carburant passe en série après être passé par les orifices d'entrée et avant de passer par les orifices de sortie, les orifices de sortie de carburant et les cols assurant, en combinaison, la création et l'entretien d'un panache d'un jet supersonique de forme pratiquement aérodynamique de carburant ayant une pression de sortie adaptée localement à l'air qui s'écoule. Application aux statoréacteurs.

Description

La présente invention concerne de façon générale le mélange et la

combustion d'un carburant dans un courant de

fluide En particulier, elle concerne un appareil d'injec-

tion de carburant dans un courant de fluide à grande vitesse afin que le rendement de mélange et de combustion

du carburant soit accru.

Dans de nombreuses techniques, il est nécessaire d'injecter un carburant dans un fluide, par exemple de

l'air, d'une manière qui favorise le mélange et la combus-

tion du carburant dans un espace et pendant un temps acceptables industriellement Si le courant d'air se déplace par rapport au point d'injection du carburant, un problème persistant se pose car le carburant ne peut pas

pénétrer convenablement dans le courant d'air à une dis-

tance suffisante pour qu'il se soit mélangé à l'air au

moment o le courant d'air quitte la chambre de combustion.

Dans les statoréacteurs à combustion supersonique dans lesquels le carburant doit être injecté dans un courant supersonique, le problème devient primordial en ce que le mélange et la combustion du carburant et de l'air doivent être réalisés très rapidement pour que le fonctionnement soit efficace, c'est-à-dire avant que le carburant ne

quitte la chambre de combustion.

Un autre problème posé par la combustion du carbu-

rant dans les dispositifs de propulsion à réaction et en particulier les statoréacteurs supersoniques, est que le fonctionnement à des vitesses si grandes rend le réacteur extrêmement sensible au rendement des éléments Par exemple, si le courant d'air d'entrée perd 1 % de plus d'énergie cinétique disponible (le rendement en énergie cinétique passe de 98 à 97 %), il est très probable que le réacteur cesse de produire une poussée utile Tout élément qui introduit des pertes dans le processus de combustion peut rapidement dégrader l'aptitude du réacteur à produire une poussée En conséquence, la manière utilisée pour l'introduction du carburant dans le courant d'air a une

importance extrême.

On a mis au point des schémas d'injection de carbu-

rant qui concernent ces problèmes, mais qui sont loin de donner les résultats convenables Le procédé le plus évident pour l'introduction de plus grandes quantités de carburant dans le courant d'air est simplement le pompage de quantités beaucoup plus grandes de carburant sous pression dans le courant d'air à partir d'un côté, comme par un grand orifice Cependant, le mélange de l'air et du carburant n'est pas facilité par l'utilisation de quelques grands injecteurs étant donné que le résultat est la formation d'une grande région ayant une quantité excessive de carburant, entourée par de l'air qui n'en contient pas assez. Dans le cas limité à l'injection du carburant à partir d'une paroi d'un appareil de combustion afin que le carburant pénètre dans le courant d'air, une solution comprend la disposition d'injecteurs de tous les côtés afin que les injecteurs pénètrent suffisamment loin, par exemple au quart de la largeur du conduit Lorsque le carburant est sorti dans le courant, l'air et le carburant se mélangent si bien que tout l'air environnant reçoit du carburant La manière utilisée pour le mélange dépend de l'espace compris entre les panaches de carburant Le terme "interstice" est couramment utilisé dans la technique pour désigner la

distance comprise entre les panaches d'injection de carbu-

rant Elle est souvent utilisée pour décrire la distance relative que parcourt le carburant avant de se mélanger convenablement à l'air (la combustion est pratiquement instantanée après le mélange) Cependant, on a constaté

que, lors de l'utilisation des injecteurs soniques clas-

siques séparés par un interstice G, le carburant pénétrait

dans le courant d'air supersonique et tournait parallè-

lement au courant d'air, et qu'il fallait une distance peut être de l'ordre de soixante fois G pour obtenir un mélange notable Ceci indique qu'il est souhaitable d'utiliser des

injecteurs plus rapprochés afin que la longueur de l'appa-

reil de combustion qui est nécessaire soit réduite.

Cependant, l'addition d'un plus grand nombre d'emplacements d'injecteurs (plus proches) conduit à une injection d'une plus grande quantité de carburant qui réduit le rendement du réacteur étant donné la combustion incomplète La5 réduction du débit de carburant à la valeur voulue (par réduction de la pression d'alimentation ou de la taille des orifices des injecteurs) réduit la pénétration du carburant

et laisse l'air proche du centre de l'appareil de combus-

tion avec une quantité insuffisante de carburant pour la

combustion.

La présente invention a pour objet de mettre à la disposition du concepteur de réacteurs des injecteurs de carburant qui donnent une meilleure pénétration relative que les injecteurs de carburant connus si bien que le concepteur peut utiliser un grand nombre d'injecteurs (réduction de l'interstice de mélange) sans gaspiller le carburant ni appauvrir le centre du conduit Les figures la à ld représentent le résultat voulu, par comparaison des panaches de carburant provenant d'injecteurs soniques classiques (figures la et lb) aux panaches de carburant d'injecteurs selon la présente invention (figures lc et ld) Sur les quatre vues des figures la à ld, la référence I désigne l'injecteur respectif Les figures la et lb indiquent que, dans le cas de sept injecteurs soniques formant des panaches de carburant séparés par un interstice de mélange G, il faut une longueur d'appareil de combustion

sensiblement égale à 60 G, alors que l'injecteur perfec-

tionné, pour la même condition de pénétration, forme un plus grand nombre de sites d'injection (quinze par exemple dans ce cas) donnant un interstice de mélange g nécessitant une longueur réduite de combustion de 60 g, avec g < G.

Une condition essentielle des injecteurs de carbu-

rant revendiqués est la meilleure pénétration relative du jet de carburant Lorsque le carburant est injecté dans un courant d'air circulant transversalement, une interaction aérodynamique se produit et dévie le panache de carburant jusqu'à ce qu'il soit parallèle au courant d'air Le courant auquel le panache de carburant devient parallèle à la paroi du conduit représente la pénétration maximale La distance de pénétration du jet de carburant est déterminée par la trajectoire du jet La trajectoire est déterminée par deux facteurs antagonistes Le premier facteur est l'énergie cinétique du jet de carburant perpendiculairement

au courant d'air Cette énergie cinétique peut être expri-

mée diversement sous la forme o V 2 sine;, oj étant la masse volumique du jet de carburant, Vj étant la vitesse du jet et e étant l'angle d'injection Le facteur antagoniste est la force de traînée appliquée au jet de carburant par l'air qui approche la vitesse M La force de traînée sur ce "corps" peut être calculée par la formule normale D = CD Aqa, CD étant le coefficient de traînée (fonction de la configuration de l'objet), A la surface projetée du jet de carburant et qa la pression dynamique de l'air calculée par la relation q a = (l/2)p V a 2 La figure 2 qui est modifiée d'après l'ouvrage de Billig F S, Orth R C et Lasky M "A Unified Analysis of Gaseous Jet Penetration", American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, Vol 9, no 6, juin 1971, pages 1048 à 1058, représente ce phénomène de pénétration, le trait mixte à deux points représentant les limites du jet, le trait continu le choc de la partie continue et le trait mixte à un point l'axe central du jet Pour une énergie cinétique donnée du carburant, un jet plus étroit ou plus profilé

subit une plus petite force de traînée par unité de dis-

tance de parcours Y Lorsque la force déflectrice agissant sur le jet est plus petite, le jet se déplace plus loin dans le courant d'air avant l'arrêt de son déplacement vers l'extérieur L'invention a pour objet la réalisation d'un étroit jet de carburant à faible traînée qui peut donner

ces avantages ainsi que d'autres.

La pénétration et le mélange des jets de carburant dans des courants transversaux ont été étudiés de façon poussée dans les années 1960 par Billig et d'autres Les tentatives représentées par ces travaux antérieurs n'ont rencontré qu'un succès limité La pénétration, dans le sens utilisé dans la technique des injecteurs de carburant dans les réacteurs supersoniques, est définie par la relation P = Y/Dj* P étant une pénétration sans dimension, Y la pénétration réelle et D * étant le diamètre du col d'une tuyère de

l'injecteur sonique équivalent.

Billig et al ont montré que la pénétration augmen-

tait d'environ 8 % avec un seul injecteur supersonique (convergentdivergent) contrairement à un seul injecteur

sonique (convergent), pour un même débit de fluide.

Billig F S, Orth R C et Lasky M "A Unified Analysis of Gaseous Jet Penetration", American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, Vol 9, n' 6, juin 1971, pages 1048 à 1058 On peut montrer que ce résultat est la conséquence de l'adaptation de la pression à la

sortie de l'injecteur à une contre-pression moyenne entou-

rant le jet de carburant L'adaptation de la pression de sortie donne la plus faible largeur de jet avec l'énergie cinétique la plus grande Les figures 3 à 5 représentent des jets de carburant sortant en atmosphère calme La figure 3 représente un injecteur sonique 10 recevant du carburant 12 d'un collecteur Sur la figure 3, la pression du carburant à la sortie P dépasse la valeur Pa autour du carburant Comme la pression reste et peut être utilisée pour une expansion et une accélération supplémentaires du carburant, cette tuyère est appelée à "sous-expansion" par les hommes du métier Lorsque le jet quitte cette tuyère sonique, il a la plus faible largeur possible dans le cas d'un jet circulaire pour une pression d'alimentation et un débit donnés Lorsque les gaz sont libérés de la retenue par la tuyère, ils peuvent se dilater radialement vers l'extérieur à une largeur W permettant une disparition de

l'excès de pression Ceci donne deux effets indésirables.

La dilatation incontrôlée réduit l'augmentation de l'éner-

gie cinétique normale du jet par rapport à une tuyère idéale Une grande vitesse radiale apparaît si bien que le jet présente une dilatation audelà de la valeur d'un jet dilaté de manière idéale Le jet a subi une expansion excessive et s'affaisse sur lui-même en créant un puissant système d'onde comprenant un disque de Mach, donnant des5 pertes importantes par chocs et une élévation importante de température Cette structure d'écoulement provoque une réduction de la masse volumique du jet qui a une largeur considérablement accrue et une énergie cinétique très basse.10 La figure 4 représente une tuyère Delaval ayant une

pression de sortie P adaptée à la pression de l'air Pa.

L'expansion du carburant à cause de la contre-pression existante dans la tuyère Delaval donne un jet supersonique ayant une vitesse élevée et des lignes de flux pratiquement parallèles Comme la présence du carburant est adaptée à celle de l'atmosphère qui l'entoure, le jet de carburant peut garder sa largeur W pendant une distance importante

au-delà de l'injecteur.

La figure 5 représente une tuyère Delaval présentant une "surexpansion" (P est inférieur à P) Dans ce cas, le carburant accélère à une vitesse encore plus grande et ses lignes de flux peuvent être presque parallèles à la sortie, mais la pression plus élevée de l'air environnant Pa modifie l'écoulement à la sortie Des chocs obliques se forment à la sortie et dévient le courant vers l'intérieur, sur lui-même Lorsque le courant converge vers l'axe central, des chocs supplémentaires repoussent les gaz

parallèlement et élèvent la pression à une valeur supé-

rieure à celle de la pression environnante, avec déclenche-

ment d'une nouvelle expansion explosive analogue à l'écou-

lement à la sortie d'un injecteur sonique Comme dans l'injecteur sonique (sous-expansion), le jet ayant une expansion excessive a une vitesse réduite et est plus large

que le jet à pression adaptée.

Une autre confirmation de ce phénomène peut être obtenue par utilisation de l'équation de continuité qui relie le débit massique du carburant, la vitesse, la masse volumique et la section sous la forme ih = P V A. m étant le débit massique, P la masse volumique, V étant la vitesse d'écoulement, Aj étant la section d'écoulement,

égale à (n/4)W 2, W étant le diamètre du jet (largeur).

L'équation de continuité peut être combinée à la loi des gaz parfaits et la largeur du jet peut être exprimée en fonction de la pression et de la vitesse sous la forme W 2 = dih RT/n P V. j J J T étant la température du jet de carburant en degrés R, R étant la constante des gaz parfaits, Pj étant la pression

du jet de carburant.

Dans le cas des écoulements à expansion excessive ou insuffisante, les chocs réduisent la vitesse et élèvent la température du carburant et donnent ainsi une plus grande

largeur au jet de carburant.

Lorsqu'on étend ce comportement physique à une

situation à courant transversal, l'expression "contre-

pression efficace" P b est définie-comme étant la pression moyenne qui varie autour du jet (élevée en avant, moyenne sur les côtés et faible du côté arrière ou opposé) Les chercheurs initiaux ont utilisé diversement 2/3 ou 0,8 fois la pression normale de choc pour déterminer Peb' Une autre tactique améliorant la pénétration, essayée par Billig et al, a été l'utilisation de jets non

circulaires dans des injecteurs soniques pour l'améliora-

tion du comportement aérodynamique, c'est-à-dire la réduc-

tion de la traînée agissant sur le jet de carburant par formation d'un jet plus étroit La figure 6 représente un dessin normalisé de la structure fine d'un jet, déduite de trois configurations différentes, tirées d'un séminaire Johns Hopkins Applied Physics Laboratory Seminar La figure 6 a indique la configuration de l'injecteur correspondant aux courbes (a), (b) et (c) de la figure 6 Bien que la configuration de l'injection affecte la configuration de la structure fine du jet secondaire sous-dilaté, l'utilisation de jets non circulaires n'a pas amélioré notablement la pénétration Bien que ce résultat ait été une surprise à ce moment, la discussion qui suit donne une raison possible de ce résultat Le courant d'un jet circulaire dans l'air5 calme a été déjà décrit Dans ce cas, la contre-pression agissant sur le courant émergeant était uniforme à la

périphérie du jet En conséquence, le jet restait circu-

laire Dans un écoulement transversal, la pression varie en fonction de la position autour de la sortie du jet On peut prévoir le même effet avec un jet non circulaire Dans le cas d'un jet allongé dont le grand axe est aligné sur le courant d'air (une forme apparente à faible traînée), la pression est la plus grande à la face avant de l'injecteur à l'endroit o l'air est arrêté par l'obstacle formé par le jet La pression sur les côtés du jet est proche de la valeur dans le courant libre Ceci crée une condition de très grande sous-expansion pour le courant sur les côtés de ce jet Dans ces conditions, on peut prévoir que le jet de carburant présente une expansion beaucoup plus rapide vers le côté donnant au jet une forme plus circulaire lorsqu'il s'éloigne de la tuyère Bien que Billig et d'autres aient reconnu l'avantage de la condition de la pression adaptée,

ils ne l'ont appliquée que dans un sens moyen L'applica-

tion de la condition de pression adaptée localement autour

de la périphérie d'un jet non circulaire permet la conser-

vation de la forme plus loin de la sortie de la tuyère.

Une autre étude a aussi noté que l'alignement des lignes de flux d'un jet de carburant était améliorée par mise de plusieurs jets soniques alignés parallèlement sur le courant d'air comme représenté sur les figures 7 a et 7 b, d'une manière améliorant la pénétration Sur la figure 7 a,

la pénétration d'un injecteur sonique unique 32 est compa-

rée à la pénétration 34 de cinq injecteurs soniques alignés dans la direction X Il a été déterminé que lorsque X/D = 7,5, la pénétration augmentait d'environ 20 % par j rapport à un jet sonique unique ayant un même débit de

carburant La pénétration a été mesurée au point de concen-

tration à 60 % Wagner J P, Cameron J M, et Billig R S, "Penetration and Spreading of Transverse Jets of Hydrogen

in a Mach 2,72 Airstream", NASA CR-1794, mars 1971.

Dans les conditions d'écoulement supersonique d'air, comme le courant d'air est très organisé, il ne peut pas facilement passer autour du jet de carburant Le courant d'air réagit avec l'obstacle et crée un choc analogue à celui qui est représenté sur les figures 8 a à 8 c lors de

l'utilisation d'une tuyère sonique Ces figures repré-

sentent le premier et le second lobe du panache 18 et 20 du carburant du jet séparé par le disque de Mach D Un choc externe 22 est créé le long du choc 24 de séparation de la couche limite L'écoulement supersonique en des points distants de la paroi peut tolérer un changement d'angle important, mais la couche limite proche de la paroi s'écoule beaucoup plus lentement (écoulement subsonique) et ne peut pas présenter l'augmentation de pression et se sépare comme représenté si bien qu'une recirculation 26 se produit et forme une bulle de séparation Cette zone de recirculation crée une région 28 à très haute température sur la paroi de l'appareil de combustion Ceci a été noté par Masyakin N E et Polyanskii M N dans leur communication "The Possibility of Blowing a Gas Jet into a Supersonic

Flow without the Formation of a Three Dimensional Boundary-

Layer Separation Zone", traduit de Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Thadkosti i Gaza, no 3, pages 162 à 165, mai-juin 1979 La réduction ou l'élimination de ce point

chaud constitue un objectif secondaire de l'invention.

D'autres injecteurs de carburant sont représentés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 3 581 495,

3 699 773, 4 821 512, 4 903 480 et 4 951 463.

Bien que ces efforts soient en fait impressionnants,

il serait avantageux qu'un injecteur de carburant superso-

nique puisse former des jets de carburant ayant une meil-

leure pénétration, permettant l'utilisation d'un plus grand nombre de sites d'injection et mélangeant le carburant à un courant d'air supersonique avec réduction des effets de perte indiqués précédemment afin que des appareils de combustion de véhicules supersoniques puissent fonctionner

plus efficacement avec une longueur d'appareil de combus-

tion plus faible que lors de l'utilisation des injecteurs connus. Selon la présente invention, des jets de carburant peuvent être introduits dans des courants d'air soniques et supersoniques avec augmentation de la pénétration et augmentation du mélange de l'air et du carburant Ce résultat est obtenu par adaptation locale de la pression d'un jet de carburant aérodynamique à la sortie d'une

tuyère d'injecteur à la pression du courant d'air L'inven-

tion repose sur un nouvel injecteur de carburant ayant au moins un orifice d'entrée de carburant, un col et un orifice de sortie de carburant disposés en série et qui, en combinaison, donnent une adaptation locale de pression

ainsi qu'une configuration à faible traînée.

De manière générale, l'invention concerne un injec-

teur de carburant pour statoréacteur du type monté au niveau de la paroi d'un appareil de combustion dans lequel de l'air circule, l'injecteur comprenant un corps allongé de façon générale ayant une surface qui est sensiblement au niveau de la paroi, la surface ayant une extrémité interne et une extrémité externe, l'extrémité interne rencontrant l'air dans lequel le carburant doit être injecté avant l'extrémité externe L'injecteur de carburant comprend en outre au moins un orifice d'entrée de carburant raccordé au corps, au moins un orifice de sortie de carburant formé dans la surface pratiquement au niveau de la paroi, et au moins un col placé à l'intérieur du corps et dans lequel le carburant passe successivement après circulation par les orifices d'entrée et avant passage par les orifices de

sortie Cette disposition des orifices de sortie de carbu-

rant et des cols assure en combinaison la création et la conservation d'une configuration aérodynamique de panache du jet supersonique de carburant ayant une pression de

sortie adaptée localement à celle de l'air qui circule.

Dans un mode de réalisation, l'injecteur comprend un orifice de sortie de carburant qui comporte une seule fente allongée de forme adaptée, disposée pratiquement entre les extrémités interne et externe de la surface du corps d'injecteur, la fente allongée de sortie ayant une largeur et une profondeur qui augmentent de l'extrémité interne

vers l'extrémité externe de la surface du corps d'injec-

teur Le col de l'injecteur comprend un canal allongé de largeur croissant progressivement à l'intérieur du corps et centré sous la fente allongée de sortie, le canal formant ainsi, avec la fente de sortie, une série continue de tuyères convergentes-divergentes ayant un degré d'expansion

croissant.

Dans un autre mode de réalisation, l'injecteur de

carburant comprend plusieurs fentes rectangulaires trans-

versales de sortie de carburant disposées en série au niveau de la paroi de l'appareil de combustion La première des fentes de sortie de carburant est placée à l'extrémité

interne de la surface du corps de l'injecteur et la der-

nière des fentes de sortie de carburant est placée à l'extrémité externe de la surface du corps Chacune des fentes de sortie a une dimension transversale qui augmente de l'extrémité interne vers l'extrémité externe de la surface L'injecteur comporte en outre des orifices d'entrée et des cols raccordés en série avec les fentes de sortie, les cols comprenant plusieurs canaux transversaux ayant une largeur croissant progressivement de l'extrémité

interne vers l'extrémité externe.

Un autre mode de réalisation du nouvel injecteur de carburant comprend au moins un orifice de sortie comportant une surface tridimensionnelle profilée débouchant dans le courant d'air Le col comprend un canal sensiblement rectangulaire placé dans le corps d'injecteur, la section du canal étant pratiquement dans le plan Y-Z Le col et l'orifice d'entrée de carburant sont de préférence en aval

de l'extrémité externe de la surface du corps de l'injec-

teur par rapport à la direction d'écoulement de l'air et sous la paroi de l'appareil de combustion, afin qu'un

contre-courant de carburant et d'air se forme.

L'injecteur de carburant décrit dans le présent mémoire présente certains avantages par rapport aux autres injecteurs supersoniques et soniques de carburant Comme aucune partie de l'injecteur ne dépasse dans le courant d'air, le refroidissement de l'injecteur ne pose pas de problèmes La région créant un flux élevé de chaleur vers la paroi de l'appareil de combustion est fortement réduite, et les appareils de combustion de manière générale peuvent être courts et plus légers que ceux qui comportent des injecteurs soniques pour une pénétration donnée puisqu'un plus grand nombre d'injecteurs peut être utilisé pour la

réduction de l'interstice de mélange.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures la à ld permettent une comparaison schématique d'une injection sonique (figures la et lb) et d'une injection à faible traînée (figures lc et ld), illustrant le but essentiel de l'invention avec réduction de la longueur et du poids d'un statoréacteur supersonique; la figure 2 est une vue schématique en élévation latérale illustrant le processus physique mis en oeuvre par un injecteur de la technique antérieure; la figure 3 est une coupe en élévation latérale d'un exemple d'injecteur de carburant sonique (à sous-expansion) qui injecte du carburant dans un fluide calme; la figure 4 est une coupe en élévation latérale d'un injecteur supersonique de carburant convergent- divergent à pression adaptée qui injecte du carburant dans un fluide calme; la figure 5 est une coupe en élévation latérale d'un panache de carburant ayant subi une sur-expansion provenant d'un injecteur de carburant supersonique qui injecte du carburant dans un fluide calme; la figure 6 représente l'effet de la variation de la configuration de sortie de la tuyère d'un injecteur sonique sur la pénétration du carburant dans un courant d'air supersonique; la figure 6 a représente les formes d'injecteurs utilisées pour les courbes de la figure 6;

la figure 7 a représente les résultats de la compa-

raison de la pénétration du carburant dans l'injecteur sonique avec la pénétration obtenue avec cinq injecteurs soniques placés en série dans la direction X, alors que la figure 7 b représente la disposition des cinq injecteurs soniques; les figures 8 a à 8 c représentent une coupe en élévation latérale, une coupe de bout et une vue en plan d'un injecteur sonique qui injecte du carburant dans un courant d'air supersonique; les figures 9 a et 9 b sont des vues schématiques en plan permettant la comparaison de la traînée créée sur des objets placés dans un courant supersonique, l'objet de la figure 9 a représentant le panache provenant d'un injecteur circulaire (traînée élevée) et l'objet de la figure 9 b représentant le panache sortant d'un injecteur allongé (faible traînée); les figures l Oa à l Od sont respectivement une coupe en élévation latérale, et une coupe de l'extrémité externe, une coupe de l'extrémité interne et une vue en plan d'un injecteur à fente adaptée selon la présente invention; les figures lla à lld sont une coupe en élévation latérale, une coupe de l'extrémité externe, une coupe de l'extrémité interne et une vue en plan d'un injecteur supersonique de carburant en cascade selon la présente invention; les figures 12 a à 12 d représentent une coupe en élévation latérale, une coupe de l'extrémité externe, une coupe de l'extrémité interne et une vue en plan d'un injecteur supersonique de carburant à contre-courant selon la présente invention;

les figures 13 a à 13 d représentent diverses dimen-

sions d'une fente en forme de coin (figures 13 a, 13 b) et d'injecteurs en cascade (figures 13 c, 13 d), les figures 13 a et 13 b étant une vue en plan et une coupe de l'extrémité externe d'un injecteur en coin alors que les figures 13 c et

13 d étant une vue en plan et une coupe en élévation laté-

rale d'un injecteur à cascade respectivement; la figure 14 est une coupe schématique en élévation latérale illustrant la sortie du jet de l'injecteur en cascade; la figure 15 a est une vue schématique en plan du diagramme du champ de circulation formé autour d'un panache profilé d'injecteur supersonique de carburant provenant d'un injecteur à fente adaptée, la figure 15 b étant une coupe en élévation passant par l'axe central du panache de

la figure 15 a et la figure 15 c étant une coupe à l'extré-

mité externe du panache représenté sur les figures 15 a et 15 b; la figure16 est une coupe permettant la comparaison de la pénétration prévue pour un injecteur sonique unique de carburant et celle qui est obtenue avec un injecteur supersonique unique à fente adaptée selon la présente invention, représentant la coupe de l'injecteur sonique superposée à la coupe de l'injecteur en coin; la figure 17 est un graphique représentant les performances d'un réacteur en fonction du nombre de Mach en

vol, indiquant les avantages de l'injection suivant plu-

sieurs modes; la figure 18 représente un autre mode de réalisation d'injecteur supersonique de carburant en cascade; et la figure 19 représente un autre mode de réalisation

d'injecteur supersonique de carburant à fente adaptée.

Dans la description des modes de réalisation parti-

culiers de l'invention, certaines expressions utilisées dans le présent mémoire doivent être définies car elles ont des significations particulières Par convention, les termes "interne" et "externe" désignent la position la plus

en amont dans la direction X que voit le corps de l'injec-

teur de carburant et la position la plus en aval dans la direction X que voit l'injecteur de carburant respecti- vement L'expression "orifices d'entrée" désigne des orifices d'entrée ayant diverses configurations, longueurs et profils internes de surface L'expression désigne notamment des orifices d'entrée allongés ayant une surface interne de section décroissante destinés à réduire les pertes de charge lors de la transmission du carburant à l'injecteur Les orifices d'entrée de carburant peuvent avoir divers emplacements L'expression "juste au-dessous

de la surface de paroi de l'appareil de combustion" utili-

sée dans le présent mémoire indique que l'orifice d'entrée est pratiquement parallèle à la paroi relativement mince de l'appareil de combustion et au-dessous de celle-ci si bien que l'orifice d'entrée est pratiquement placé entre la paroi de l'appareil de combustion et d'autres éléments du

réacteur, par exemple des éléments électriques, d'avio-

nique, etc d'une manière industriellement acceptable En outre, un orifice d'entrée peut avoir une série de chambres de mêmes dimensions ou de dimensions différentes placées en série ou en parallèle, les dimensions des diverses chambres

étant référencées par rapport à D *, et les mêmes commen-

taires s'appliquent à l'expression "orifices de sortie".

Les orifices de sortie ont de préférence des surfaces internes de profil régulier éliminant ou réduisant les chocs ou autres mécanismes de perte dans l'expansion du courant de carburant Une surface interne de configuration erronée pour l'injecteur crée des chocs intenses dans le courant si bien que la vitesse d'injection du carburant est réduite Un orifice de sortie peut comprendre une série de chambres de même largeur ou de largeurs différentes, référencées par rapport à D * Le terme "col" utilisé dans le présent mémoire désigne la section minimale ou gorge du corps de l'injecteur de carburant dans laquelle circule le carburant juste après l'orifice ou les orifices d'entrée et juste avant l'orifice ou les orifices de sortie Cette disposition est aussi appelée "tuyère Delaval" dans la technique La configuration, la longueur, le profil, le degré de régularité de la surface interne, l'emplacement et diverses largeurs et divers diamètres référencés par rapport à DJ* sont aussi destinés à provoquer une expansion efficace du carburant jusqu'à la pression locale existant à l'emplacement d'évacuation Le profil de la tuyère doit être réalisé afin qu'il donne un jet de carburant ayant des lignes de flux pratiquement parallèles (divergence minimale

en vitesse).

Les parois de l'appareil de combustion dans les-

quelles les injecteurs de carburant selon la présente invention peuvent être placés ont en général des surfaces lisses et peuvent avoir des irrégularités de surface ou des parties en saillie dans lesquelles les injecteurs sont

placés à ras, c'est-à-dire que la surface du corps d'injec-

teur ne doit pas être exactement perpendiculaire au plan XY, YZ ou ZY, de même que le jet de carburant n'a pas à pénétrer dans le courant d'air perpendiculairement à l'un quelconque de ces plans La configuration de la paroi peut varier d'une forme rectangulaire, carrée, ovale à une forme circulaire, toutes les configurations de parois dépendant dans une certaine mesure du mode de réalisation ou de la

combinaison de modes de réalisation d'injecteurs de carbu-

rant qui sont utilisés, de la vitesse que doit avoir le réacteur et le véhicule, du rapport des pressions, de la poussée, etc Les injecteurs peuvent être placés dans ces

parois avec plusieurs dispositions, ayant divers inters-

tices de mélange L'interstice de mélange est défini comme étant la distance comprise entre les panaches respectifs d'injection de carburant Bien que des injecteurs de carburant du même mode de réalisation ou de modes de réalisation semblables puissent être utilisés dans un même appareil de combustion, ceci n'est pas nécessaire et il est possible d'utiliser une combinaison de modes de réalisation d'injecteurs dans une ou plusieurs parois de l'appareil de combustion afin que les performances globales et le poids

du réacteur puissent être optimisés.

Les injecteurs de carburant selon l'invention peuvent être utilisés très avantageusement pour l'injection de divers types de carburant dans des courants d'air La condition principale est que le carburant possède un

pouvoir calorifique élevé et une grande capacité de refroi-

dissement Le courant de carburant est de préférence gazeux Des exemples de carburant sont l'hydrogène, le "JP 5 ", le méthane, le propane, le méthylcyclohexane (MCH), le pentaborane, etc, et leurs mélanges, l'hydrogène étant particulièrement avantageux Les termes "sonique" et "supersonique" utilisés dans le présent mémoire ont leur sens habituel dans la technique, c'est-à-dire que sonique se réfère de façon générale à une vitesse égale à la

vitesse locale du son dans le gaz, alors que "super-

sonique" est utilisé pour désigner une vitesse supérieure à la vitesse locale du son Un courant d'air supersonique et des vitesses de jet de carburant supersoniques peuvent aussi être désignés par le nombre de Mach par rapport à la vitesse respective du son, par exemple Mach 2 indiquant que

la vitesse équivaut au double de la vitesse locale du son.

Dans la description du profil et de la pression du

jet de carburant entrant dans un courant d'air sonique ou supersonique, on utilise divers termes Lorsqu'on indique que le jet de carburant est "continu et profilé", cela signifie que le jet de carburant est essentiellement un courant continu ayant une section frontale étroite et qui n'est pas subdivisé en morceaux ou parties séparées du courant d'air, et qui a une configuration telle que le jet de carburant pénètre dans le courant d'air sans introduire de chocs intenses dans le réacteur Le panache sortant de carburant peut être traité comme un corps projeté dans le

courant d'air pour le calcul des pressions qui l'entourent.

De manière bien connue dans la littérature, la traînée dans un courant supersonique est la plus faible lorsque le corps est allongé avec un bord d'attaque effilé et une largeur

croissant progressivement Les figures 9 a et 9 b repré-

sentent la force de traînée sur deux corps de même section projetée Ab, (c'est-à-dans un plan parallèle à la paroi du conduit) de 6,45 cm 2 dans cet exemple, soumis à un écoule- ment supersonique La figure 9 a représente la configuration d'un panache d'injection sonique circulaire sous forme d'un cylindre de section droite circulaire La similitude avec la figure 8 c est nette Sur les figures 9 a et 9 b, l'air se rapproche des corps à une vitesse égale à Mach 4, avec une pression statique Pa de 1,84 105 Pa (il s'agit de pression absolue, comme dans le reste du texte sauf indication contraire), et une pression dynamique qa de 2,06 106 Pa Le corps de forme émoussée de la figure 9 a crée une puissante structure de choc 22 et une pression élevée à l'avant du corps P d'environ 3,49 10 Fa, avec une pression sur les p 5

côtés Ps d'environ 2,08 10 Pa et une pression Pd à l'ex-

trémité externe très inférieure à 2,08 10 Pa On peut montrer que la traînée sur ce corps est à peu près égale à 5,26 104 N/m de hauteur projetée, étant donné une largeur de panache d'environ 2,9 cm et un coefficient de traînée CD d'environ 1,0 Le corps représenté sur la figure 9 b est connu comme exemple de configuration d'objet supersonique, tel que des projectiles, des engins ou un aéronef Dans cet exemple, le corps a une longueur L de 7,42 cm et un angle

a = 10 Le bord d'attaque effilé permet à l'air superso-

nique de s'écouler le long du corps avec un faible angle de déflexion et une faible élévation de pression La force de traînée agissant sur le corps de la figure 9 b est d'environ 2,98 103 N/m de hauteur projetée avec un coefficient de traînée CD = 0,11 Ceci est le résultat des effets combinés de la plus faible pression exercée sur le corps (Pp = 4,57 105 Pa) et de sa plus faible largeur (W = 1,30 cm) due à un demi-angle a = 100 La pression au point de tangence T est P = 1,87 105 Fa, alors que

4 T

Pd = 9,01 10 Pa D'autres configurations peuvent être

choisies et donnent une traînée plus grande ou plus petite.

La configuration exacte choisie dépend d'autres conditions de réalisation telles que les restrictions relatives à l'espace disponible pour l'injecteur On peut prévoir qu'un jet extrêmement étroit (demi-angle a inférieur à 30)5 donnera des effets visqueux accrus (non pris en compte dans

l'analyse comparative précitée) réduisant la pénétration.

Lorsque la configuration d'un éjecteur est choisie comme représenté sur la figure 9 b, la pression autour de chaque périphérie est calculée par exemple par la méthode bien

connue d'expansion de choc.

L'expansion interne du carburant est alors calculée

afin que le carburant sorte à la contre-pression locale.

Dans cet exemple non limitatif, le carburant doit sortir du bord d'attaque à une pression P = 4,59 105 Pa Si le 7 p

carburant est transmis à 1,04 10 Pa, le rapport E d'expan-

sion à la tuyère (section) est d'environ 3,12/1 donnant un

nombre de Mach du carburant de 2,68 (vers le haut vertica-

lement) à l'extrémité interne A l'arrière (extrémité externe) de l'injecteur, près de la tangente T, la pression locale PT a diminué à 1,84 105 Pa alors que la pression est

T 4

d'environ Pd = 9,01 10 Pa dans le sillage Si la pression d'alimentation du carburant est la même, le rapport local d'expansion à la tuyère E en T doit être d'environ 5,52/1 pour correspondre à cette pression locale Le nombre de Mach local d'injection serait alors égal à 3,29 La surface externe du jet de carburant entrant dans le courant d'air

supersonique est ainsi profilée et donne la traînée mini-

male au contact du courant d'air et une adaptation locale de la pression est obtenue entre le carburant qui pénètre dans le courant d'air et l'air qui s'écoule le long du panache du jet de carburant Le terme "local" utilisé en référence à l'adaptation locale de la pression indique que la pression en des points séparés de la surface externe du jet de carburant correspond à la pression existant dans le courant d'air circulant le long du jet de carburant si bien que le jet de carburant sort de l'injecteur en formant des lignes sensiblement parallèles Lorsqu'une couche limite importante existe au niveau de la paroi, les conditions locales d'écoulement doivent être choisies entre les conditions du courant libre et les conditions de la paroi afin que l'expansion du jet dans la couche limite ne soit pas excessive, à cause du déficit d'énergie cinétique dans

la couche limite.

Compte tenu des principes et définitions précités,

la description qui suit concerne divers modes de réalisa-

tion des nouveaux injecteurs de carburant selon la présente

invention.

Les figures l Oa à l Od, lla à lld et 12 a à 12 d représentent de façon générale trois modes de réalisation d'injecteur supersonique de carburant pour statoréacteur supersonique, chacune des figures représentant un mode de réalisation non limitatif d'injecteur de carburant La

figure l Oa est une coupe en élévation latérale d'un injec-

teur de carburant à fente adaptée ayant un corps 36 qui comprend un orifice 38 d'entrée de carburant qui reçoit le carburant d'une pompe de carburant d'une autre source, par exemple, dans un aéronef supersonique Le carburant circule par l'orifice d'entrée 38 et s'écoule dans un col ou canal allongé 42 de largeur croissante placé à l'intérieur du corps, le col étant centré dans la fente allongée de sortie

La fente allongée 40 de sortie de carburant est prati-

quement placée entre les extrémités interne et externe de la surface 44 du corps de l'injecteur La fente allongée 40 de sortie a une largeur et une profondeur qui augmentent de l'extrémité interne à l'extrémité externe de la surface du corps de l'injecteur La figure l Ob représente une coupe de l'extrémité externe représentant le corps 36 de l'injecteur de carburant, l'orifice 40 de sortie de carburant, le col 42 et la surface 44 du corps d'injecteur, avec une coupe

interne représentée sur la figure l Oc On note par compa-

raison des figures l Ob et l Oc, que le col de l'injecteur

augmente lentement de largeur alors que l'orifice corres-

pondant de sortie augmente de largeur plus vite que l'ex-

trémité interne du corps d'injecteur de carburant vers l'extrémité externe du corps d'injecteur de carburant Le rapport de la largeur à la sortie et de la largeur du col détermine le rapport local des sections Le rapport des sections détermine lui-même la pression de sortie et la vitesse d'injection Le profil de sortie est choisi afin qu'il donne une configuration de panache à faible traînée avec une pression superficielle connue Lorsque la pression externe locale est connue, le profil du col est choisi afin qu'il donne un rapport convenable de section donnant la condition d'adaptation locale de pression en ce que le jet de carburant quittant l'injecteur par l'extrémité interne (figure 10 c) a une vitesse plus petite et donc une pression plus élevée alors que le jet de carburant quittant le corps près de l'extrémité externe (figure l Ob) a une plus grande vitesse et une plus faible pression locale La figure l Od est une vue en plan de l'injecteur représentant la sortie

de la fente adaptée et le col correspondant 42.

Les figures lla à lld représentent diverses vues d'un injecteur supersonique de carburant en cascade selon la présente invention Le corps 36 de l'injecteur est représenté sur la figure lla et il comprend une série de fentes rectangulaires 40 de sortie de carburant placées en série et au niveau de la surface du corps 44 La première des fentes 40 est à l'extrémité interne de la surface 44 et la dernière des fentes 40 à l'extrémité externe de la surface 44 Un orifice unique 36 d'entrée de carburant est aussi représenté et alimente plusieurs gorges 42, associées à chaque orifice de sortie de carburant 40 Comme l'indiquent les figures llb et 11 c, l'orifice 38 d'entrée est un canal ayant une largeur sensiblement constante; cependant, comme dans le mode de réalisation à fente adaptée, les cols séparés 42 et les orifices de sortie 40 de l'injecteur en cascade se combinent pour la formation de tuyères convergentes-divergentes, ayant divers degrés de détente choisis afin qu'ils donnent une adaptation locale des pressions La figure lld est une vue représentative en plan de l'injecteur en cascade des figures lla à lic Comme on le note facilement, les fentes rectangulaires 40 de sortie ont leur dimension transversale qui augmente de l'extrémité interne à l'extrémité externe de la surface 44 du corps (voir aussi figure 13 c) Une série de nervures sensiblement parallèles 46, transversales à l'écoulement de l'air, sont représentées et raccordées aux côtés opposés de la surface 44 de l'injecteur Ce mode de réalisation présente l'avantage d'assurer un meilleur conditionnement

que la version à fente adaptée de l'injecteur car l'ori-

fice d'entrée 38 peut être relativement peu profond et peut recevoir le carburant d'un collecteur d'une manière qui

réduit l'espace occupé dans le réacteur et l'aéronef.

Les figures 12 a à 12 d représentent quatre vues d'un

injecteur supersonique à contre-courant selon l'invention.

La figure 12 a est une vue en élévation latérale repré-

sentant l'orifice unique d'entrée et le col 42 Cependant, à la place d'une fente adaptée de sortie ou d'une série de tuyères séparées comme dans la version en cascade, ce mode

de réalisation a une fente de sortie 40 profilée tridimen-

sionnellement et qui donne une combinaison d'ondes de

détente et de compression de Prandtl-Meyer donnant l'adap-

tation locale voulue de pression et le profil voulu du jet de carburant Comme l'indique la figure 12 a, le carburant pénètre à contre-courant par l'orifice d'entrée 38, et s'écoule dans le col 42 et dans la fente 40 de sortie dans le courant d'air qui s'écoule dans la direction X Les figures 12 b à 12 d sont une coupe de l'extrémité externe,

une coupe de l'extrémité interne et une vue en plan respec-

tivement de ce mode de réalisation Les figures 12 b et 12 c

montrent comment l'orifice de sortie est profilé tridimen-

sionnellement afin qu'il assure le retournement vers le

haut du carburant dans le courant d'air Le jet de carbu-

rant est créé par retournement vers l'extérieur du carbu-

rant à contre-courant par une combinaison d'ondes de détente et de compression de Prandtl-Meyer dans la tuyère à profil tridimensionnel Ce mode de réalisation favorise

certaines constructions d'organes de combustion et acces-

soires internes pour réacteur supersonique, mais on peut prévoir les moins bonnes performances parmi les trois modes

de réalisation.

On se réfère maintenant aux figures 13 a à 13 d qui représentent des détails de dimension intéressants pour les divers modes de réalisation d'injecteur de carburant La figure 13 a représente un mode de réalisation en coin

d'injecteur à fente adaptée, en plan Le mode de réalisa-

tion à coin est la forme la plus simple de fente adaptée.

Cette configuration donne la conception et la fabrication les plus simples Ses avantages sont dus essentiellement au demi-angle constant a de la surface, qui donne une pression sensiblement constante sur le côté de l'injecteur La condition de pression adaptée est ainsi obtenue avec un

rapport fixe de détente E et le nombre de Mach d'injection.

(De nombreux détails sont supprimés afin que les figures 13 a à 13 d soient claires) Une procédure recommandée de conception d'un mode de réalisation d'injecteur à coin est

la suivante On établit la pénétration voulue pour l'injec-

* teur On estime le débit de carburant nécessaire pour l'obtention de la pénétration voulue, avec le débit d'air donné et les conditions d'alimentation en carburant La section du col de référence est alors calculée d'après la relation At = lf C*/g Pl

mf étant le débit massique de carburant, g étant l'accélé-

ration de la pesanteur, soit 9,81 m/s 2, Pl étant la pres-

sion d'alimentation d'injection (pression absolue), C* = (g R Tf/yl 2/(y+ 1)l(î+l)/( 11))î/2, Tf est la température d'alimentation du carburant en 'R, Y est le rapport des

chaleurs spécifiques.

Une fois connue la section du col, le diamètre d'un col circulaire équivalent (D *) peut être facilement

calculé D * devient la dimension de référence pour la description du reste de la configuration géométrique de

l'injecteur, bien que les cols ne soient pas circulaires.

L'étape suivante est la sélection du demi-angle a de l'extrémité interne Si cet angle dépasse 100 environ, une séparation de la couche limite peut se produire et peut provoquer un chauffage excessif en avant du jet Cette recommandation correspond aux travaux précités de Masyakin et Polianskii Si l'angle est trop petit (moins de 3 environ), l'injecteur devient excessivement long et les effets de viscosité peuvent réduire les avantages de la pénétration Une fois l'angle choisi ( 7,40 sur la figure 13 a), la pression locale est calculée Comme l'injecteur en coin a une pression environnante sensiblement constante sur toute sa longueur, le rapport de détente E est aussi sensiblement constant Dans cet exemple, la pression nécessaire de sortie est de 3,66 105 Pa Pour une pression d'alimentation de 1,04 10 ' Pa, le rapport de détente E pour l'arrivée à la pression de 3,66 105 Pa est d'environ 3,6/1 et donne un nombre de Mach à la sortie égal à 2,83 La surface de sortie est alors déterminée d'après la relation A = E At = En Dj*/4

puisque la section de la sortie en coin est égale à Lx W/2.

La résolution des équations géométriques donne une longueur de 4,67 D et une largeur de 1,21 D Dans le second mode de réalisation (en cascade, figure 13 c), le carburant sort par une série d'injecteurs

séparés disposés à l'intérieur d'un profil aérodynamique.

Ce profil peut avoir une configuration en coin ou une autre configuration de faible traînée imposée par d'autres conditions Dans cet exemple, la forme profilée représentée sur la figure 9 b est utilisée La procédure précitée est modifiée afin qu'elle tienne compte de la pression variable de sortie de l'avant à l'arrière Cette procédure donne à l'injecteur une longueur égale à 5,12 D et une largeur de

* J

0,89 D Ce profil donne seulement la moitié environ de la J traînée du profil en coin, en grande partie à cause de la largeur réduite Des tuyères individuelles sont placées aussi près que possible les unes des autres avec une largeur minimale des nervures 46 afin que les pertes d'écoulement soient réduites lorsque les jets sortent comme représenté sur la figure 14 Les sorties individuelles 42 sont représentées sur la figure 13 c comme des rectangles qui au début sont aussi étroits que le permet la technique de fabrication et dont la largeur augmente afin qu'elle corresponde au profil voulu Le rapport des sections E de chaque tuyère varie afin que le carburant soit détendu au

niveau local de pression (après le raccordement des jets).

Dans cet exemple, les longueurs L des cols sont les mêmes

* T

(LT = 0,07 D), mis à part le col interne qui doit être

réalisé afin qu'il corresponde à une pression de stagna-

*

tion Dans cet exemple, LT = 0,2 D pour le col interne.

L'utilisation de la même longueur de col dans toutes les tuyères, sauf la tuyère interne, permet la reproduction du même profil de tuyère qui aboutit à des rapports divers de

détente et assure des économies de fabrication Le prin-

cipal avantage est la faible profondeur des tuyères

initiales dont la profondeur augmente progressivement en-

dessous de la surface vers l'extrémité externe Ceci donne un collecteur d'alimentation naturellement incliné à proximité de la surface Un collecteur incliné donne de plus faibles pertes de charge et une réalisation moins

encombrante de l'injecteur D'autres approches de réalisa-

tion peuvent être réalisées sans sortir du cadre de

l'invention.

Les quatre modes de réalisation d'injecteur de carburant selon l'invention représentés sur les figures l Oa à ld, lla à lld, 12 a à 12 d et 13 a à 13 d donnent une meilleure pénétration du carburant dans le courant d'air supersonique, un mélange plus rapide du carburant et de

l'air et une combustion ultérieure plus rapide du carbu-

rant, des pertes réduites par choc dans le réacteur par

rapport aux injecteurs supersoniques connus et aux injec-

teurs soniques de carburant connus, une charge thermique réduite dans les parois de l'appareil de combustion ou des

supports, et un meilleur conditionnement.

L'invention a essentiellement pour objet la création d'un panache profilé de carburant qui réduit la traînée et

accroît sa pénétration dans le courant d'air La descrip-

tion donnée jusqu'à présent concerne la configuration du panache lorsqu'il sort initialement de la paroi du conduit. Les figures 15 a à 15 c représentent, en plan, en coupe

longitudinale et en coupe à l'extrémité distante respecti-

vement, le diagramme d'écoulement d'un jet supersonique émis par l'injecteur selon l'invention La figure 15 a est

une coupe du panache à une certaine distance de la paroi.

Lorsque le carburant s'écarte de la paroi, le bord anté-

rieur du panache exposé au courant d'air est arrondi et érodé Cet arrondissement du bord d'attaque augmente lorsque la pression à l'interface 48 augmente entre l'air et le carburant La pression élevée au bord d'attaque du panache est transmise au reste du panache par un choc interne 54 indiqué sur la figure 15 b qui est une coupe suivant l'axe central du panache Le carburant passe alors dans le choc interne 54 et est dévié partiellement vers l'aval (X) Le carburant compris entre le choc interne 54 et l'interface 48 se détend alors vers l'extérieur étant donné la pression élevée à l'endroit qu'il occupe et est balayé vers les côtés du noyau encore supersonique du

panache comme représenté sur la figure 15 a.

Le courant d'air qui approche réagit avec le panache

de carburant en fonction de sa déformation La configura-

tion du panache est approximativement celle d'une ailette émoussée en flèche Malgré la forme émoussée (c'est-à-dire que le rayon efficace augmente lorsque la distance à la

paroi augmente), le petit rayon moyen et la flèche impor-

tante (environ 450) donnent encore une traînée nettement inférieure à celle de la technique antérieure Un choc est formé dans l'air lorsqu'il approche du panache de carburant en forme d'ailette Ce système de choc est appelé choc externe 22 sur les figures 15 a et 15 b L'élévation de pression de l'air circulant dans ce choc externe 22 doit correspondre à l'élévation de pression dans le carburant passant dans le choc interne 54 L'angle C formé par l'interface 48 avec la paroi du conduit est déterminé par ce critère de compatibilité de pression et par le rapport

des flux d'énergie cinétique entre les courants du carbu-

rant injecté et de l'air Le flux d'énergie cinétique d'un courant est exprimé par la relation Du 2 (avantageusement deux fois la pression dynamique) Le rapport J des flux d'énergie cinétique du carburant à l'air est défini par la relation J = lpj(ujsin 6 j)2 l/lp aua 2 l uj étant la vitesse du carburant, ua la vitesse de l'air, Pl la masse volumique du carburant, p a la masse volumique

de l'air, ej l'angle d'injection du jet de carburant.

Plus le rapport J des flux d'énergie cinétique est élevé et plus l'angle O de l'interface 48 est proche de l'angle ej d'injection du jet de carburant Lorsque J = 1,0 et ej = 90 , on peut noter que l'angle d'interface X est approximativement égal à 450 Le chocs interne et externe 54 et 22 divergent légèrement par rapport à l'angle de l'interface étant donné le rayon croissant au bord d'attaque. La pénétration du carburant peut être estimée

géométriquement à partir du trajet du choc interne 54. Lorsque ce choc atteint l'extrémité externe du panache de carburant, il a

"traité" tout le carburant Bien que le carburant possède encore une vitesse verticale après avoir été traité par le choc interne, il est rapidement balayé vers l'aval par l'air à haute pression en aval du choc externe 22 Cette analyse prévoit que la pénétration est

seulement légèrement supérieure à la longueur de l'injec-

teur (lorsque J = 1,0, ej = 900).

La discussion précédente prise en elle-même peut faire croire que la pénétration maximale est obtenue avec

une longueur maximale d'injecteur (direction X) La res-

triction de la description qui précède est qu'elle suppose

que la zone de mélange visqueux n'a pas atteint le centre de l'âme du jet La figure 15 c est une coupe transversale

du panache près de l'extrémité externe de l'injecteur.

Quatre régions séparées d'écoulement peuvent être identi-

fiées à l'intérieur du panache L'âme non visqueuse 56 se trouve au centre Le courant de l'âme est supersonique, son vecteur vitesse n'étant pas affecté par la présence des

zones d'écoulement externe (se déplaçant perpendiculai-

rement à la paroi) Le carburant 52 qui a passé dans le choc interne et a été balayé à l'extérieur de l'âme par le courant d'air entoure l'âme Ce carburant se déplace pratiquement en direction de l'air ( 90 par rapport à l'âme) Une zone 55 de mélange de carburant et de carburant visqueux se crée entre le courant 52 de carburant et le

carburant de l'âme 56 A l'extérieur du panache de carbu-

rant, une zone 50 de mélange de carburant et d'air se forme (le but final de l'injecteur de carburant) Ces zones de mélange s'étalent (s'épaississent) dans la direction des courants L'angle d'étalement varie avec les paramètres

d'écoulement, mais il est habituellement d'environ 6 .

Jusqu'à ce que la zone 55 de mélange atteigne l'axe cen-

tral, la vitesse de l'âme reste inchangée le long de l'axe central Si la zone interne 55 de mélange atteint le centre de l'âme avant que l'âme ne passe dans le choc interne, l'énergie cinétique de l'âme est réduite et réduit la pénétration pour une longueur donnée d'injecteur, avec

compensation de l'avantage du faible demi-angle de l'injec-

teur (a) Le champ d'écoulement à l'extrémité externe est aussi affecté par la proximité de la zone 58 de sillage à basse pression derrière le jet (figure 15 a) Les diverses lignes obliques 60 des figures 15 a et 15 b représentent une région de détente dans laquelle le jet de carburant subit

une détente vers la région du sillage.

Bien que le panache supersonique 62 de carburant puisse varier par rapport à la configuration particulière des figures 15 a à 15 c, par exemple dans le cas produit par les modes de réalisation en cascade ou à contre-courant, ce schéma est considéré comme représentatif de tous les modes de réalisation du panache de carburant Par exemple, le

panache de carburant peut aller sur une plus grande dis-

tance dans la direction Y représentée sur la figure 15 c ou s'étendre sur une moindre distance dans la direction Z que sur la figure 15 a, suivant la vitesse du courant d'air s'écoulant le long de l'injecteur, l'amplitude de la

pression derrière le panache de carburant, etc La configu-

ration du panache 62 peut aussi être affectée par la distance entre les injecteurs respectifs de carburant Des

injecteurs plus denses, courants dans diverses configura-

tions d'appareils de combustion, peuvent provoquer une interaction des panaches supersoniques par leur choc externe, alors que des injecteurs séparés par un interstice suffisamment grand donnent des panaches supersoniques individuels 62 qui ne présenteront probablement pas d'interaction poussée Evidemment, l'interstice optimal doit être obtenu afin que la longueur et le poids optimaux de l'appareil de combustion puissent être obtenus avec les jets supersoniques de carburant Dans tous les cas, l'interstice de mélange est plus petit, avec les injecteurs selon l'invention, que dans le cas des injecteurs de la technique antérieure, si bien qu'un plus grand nombre de sites d'injection peuvent être utilisés pour le même critère de pénétration et en conséquence la longueur de l'appareil de combustion peut être réduite et le poids total du réacteur tel que représenté sur la figure 1 peut

aussi être réduit.

La figure 16 est une représentation schématique

permettant la comparaison d'un injecteur sonique de carbu-

rant et d'un injecteur supersonique de carburant selon la présente invention Cette figure permet la comparaison de la pénétration prévue par ce procédé pour un injecteur en coin 36 et un injecteur sonique unique 36 ' qui lui est superposé Les conditions d'écoulement d'air sont les suivantes: M 12, M = 4,0, Pa = 1,84 10 Pa, 6 a qa = 2,06 10 Pa et J = q /qj= 1,0 Le premier et le second lobe 18 et 20 du panache injecté soniquement sont représentés, avec un disque de Mach D Comme l'indique la figure 6, la pénétration dans la direction Y (le courant

d'air se déplaçant dans la direction X) équivaut grossière-

ment à 3,25 D pour l'injecteur sonique Au contraire, le panache de carburant pour l'injecteur en coin, représenté en coupe par la référence 64, a une pénétration relative dans la direction Y d'environ 5, 2 D, qui est un degré de pénétration bien préférable La pénétration peut varier dans l'injecteur en coin entre 4,5 D et 6,5 D environ suivant la réalisation détaillée Il est important de noter en référence à la figure 16 l'augmentation de pénétration donnée par le jet supersonique par rapport au jet sonique unique Le degré d'augmentation prévu peut être important, pouvant être compris entre environ 50 et 100 % par rapport au jet sonique unique Cette amélioration de la pénétration est aussi supérieure à celle des profils circulaires connus de sortie supersonique comme décrit précédemment, et des jets soniques multiples disposés axialement par rapport au

courant d'air.

La figure 16 indique aussi la configuration relati-

vement profilée du jet supersonique des injecteurs selon l'invention comparée au profil du jet sonique Cette configuration profilée permet au jet supersonique de pénétrer plus loin dans le courant d'air comme décrit

précédemment du fait de l'adaptation locale des pressions.

De préférence, le rapport J est compris entre 0,5 et 2,0.

Une faible valeur de J (inférieure à 0,5) donne une condi-

tion indésirable selon laquelle la pression dynamique du courant d'air est supérieure à la pression dynamique locale du jet de carburant, si bien que le jet 64 pénètre moins que ne l'indique la figure 16, alors qu'une valeur de J très supérieure à 1,0 donne une plus grande pénétration que sur la figure 16 mais nécessite une plus grande pression à l'injecteur de carburant et crée des chocs plus importants

dans le courant d'air.

Dans les descriptions qui précèdent, on a décrit la

réalisation qui donne les performances optimales du réacteur en un point unique de fonctionnement Dans ces conditions, appelées "point nominal", l'injecteur remplit toutes les conditions d'écoulement de carburant et de

pénétration ainsi que la condition d'adaptation de pres-

sion Si le réacteur ne devait travailler que dans cette condition, le travail du concepteur serait terminé Cepen- dant, dans la plupart des applications, le réacteur doit travailler dans toute une plage de conditions de vol. Lorsque le réacteur s'écarte du point nominal, il travaille en mode non nominal Dans ce fonctionnement en mode non nominal, les conditions d'écoulement du carburant et de pénétration peuvent changer de manière incompatible et peuvent dégrader les performances du réacteur Dans la plupart des systèmes, les performances sont dégradées

lentement à partir du point nominal La vitesse de dégrada-

tion augmente avec la distance du point de fonctionnement du réacteur au point nominal La transmission du carburant par au moins deux collecteurs permet au concepteur

d'obtenir au moins deux points nominaux de fonctionnement.

La figure 17 représente cet effet, les modes A, B et C représentant trois modes différents de fonctionnement

possible par utilisation de plusieurs collecteurs d'alimen-

tation des injecteurs Les performances moyennes d'injec-

teur à une seule alimentation sont réduites par rapport au mode de réalisation à plusieurs alimentations Sur la figure 17, le point nominal de fonctionnement est cerclé, et les flèches verticales indiquent les pertes lors d'un

fonctionnement dans des conditions non nominales.

Les figures 18 et 19 représentent d'autres modes de réalisation d'injecteurs de carburant en cascade et à fente

adaptée respectivement, utilisant une injection de carbu-

rant à plusieurs modes La figure 18 représente un corps 36 d'injecteur ayant une surface 44 exposée au courant d'air, comme dans les modes de réalisation précédents Cependant, dans le mode de réalisation de la figure 18, deux doubles

orifices 38 a et 38 b d'entrée de carburant sont représentés.

Ils donnent une situation dans laquelle un premier jeu de fentes de sortie 40 a reçoit du carburant de l'orifice 38 a et un autre jeu de fentes 40 b reçoit du carburant de

l'orifice 38 b Ce mode de réalisation permet une optimisa-

tion des performances du réacteur par addition d'une variable supplémentaire Par exemple, pour des nombres de Mach en vol relativement élevés, la combustion nécessite moins de carburant Cette condition de réduction de la quantité de carburant peut être obtenue par transmission de carburant uniquement dans le collecteur interne avec une pression accrue La longueur efficace d'injecteur est plus courte, mais la plus grande pression d'alimentation (valeur supérieure de J) maintient la pénétration du carburant à la valeur nécessaire sans gaspillage du carburant Le nombre optimal de modes ou d'étages d'injection de carburant choisis dépend d'un compromis entre le gain en performances du réacteur et l'augmentation de poids due à l'addition de

soupapes et de collecteurs Trois étages peuvent repré-

senter la limite en pratique, mais un plus grand nombre d'étages peut être possible, si bien que les injecteurs revendiqués ne sont pas limités à l'injection à trois

modes.

La figure 19 représente un autre mode de réalisation d'injecteur à fente adaptée dans lequel deux orifices d'entrée 38 a et 38 b sont représentés, le carburant passant par deux cols 42 a et 42 b et sortant par des orifices de

sortie doubles 40 a et 40 b Comme dans le mode de réalisa-

tion de la figure 18, ce mode de réalisation est un simple exemple d'injecteur à fente adaptée ayant des orifices séparés d'entrée de carburant 38 a, 38 b, 38 N et des fentes

adaptées de sortie 40, 40 b, 40 n Des contraintes ana-

logues à celles du mode de réalisation en cascade de la figure 18 s'appliquent aussi au mode de réalisation de la

figure 19.

Les matériaux utilisés pour les injecteurs de carburant décrits dans le présent mémoire sont métalliques de façon générale, mais tous les matériaux de construction qui peuvent être adaptés à un fonctionnement à haute température peuvent convenir Des exemples sont les alliages de rhénium et de molybdène. Bien qu'on ait décrit certains modes de réalisation, l'homme du métier peut apporter des variantes Par exemple, des combinaisons de modes de réalisation à fente adaptée, en cascade et à contre-courant peuvent être combinées dans un seul ou plusieurs injecteurs hybrides de carburant destinés à un réacteur particulier La longueur et le poids optimaux pour un appareil de combustion peuvent être déterminés grâce aux diverses combinaisons des divers modes

de réalisation.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 Injecteur de carburant pour statoréacteur super-

sonique, du type monté au niveau de la paroi d'un appareil de combustion dans lequel s'écoule de l'air, l'injecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 42) de forme générale allongée ayant une surface ( 44) qui est pratiquement au niveau de la paroi, la surface ayant une extrémité interne et une extrémité externe, l'extrémité interne rencontrant l'air dans lequel le carburant doit être injecté avant l'extrémité externe, au moins un orifice d'entrée de carburant ( 38) raccordé au corps, au moins un orifice de sortie de carburant ( 40) formé à la surface pratiquement au niveau de la paroi, et au moins un col ( 42) placé à l'intérieur du corps et dans lequel le carburant passe en série après être passé par les orifices d'entrée et avant de passer par les orifices de sortie, les orifices de sortie de carburant et les cols assurant, en combinaison, la création et l'entretien d'un

panache d'un jet supersonique de forme pratiquement aéro-

dynamique de carburant ayant une pression de sortie adaptée

localement à l'air qui s'écoule.

2 Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un orifice au moins de sortie de carburant ( 40) est sous forme d'une seule fente allongée de sortie ( 40) disposée pratiquement de l'extrémité interne à l'extrémité externe de la surface du corps d'injecteur, la fente allongée de sortie ( 40) ayant une largeur et une

profondeur qui augmentent de l'extrémité interne à l'extré-

mité externe de la surface du corps.

3 Injecteur de carburant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fente allongée ( 40) est adaptée afin qu'elle réduise au minimum la traînée et le col au

moins ( 42) et comporte un canal allongé de largeur crois-

sante formé à l'intérieur du corps, le canal formant ainsi, avec la fente de sortie, une série continue de tuyères convergentes-divergentes ayant un degré croissant de détente. 4 Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée ( 38), le col ( 42) et l'orifice de sortie ( 40) comportent plusieurs tuyères convergentes-divergentes montées en cascade dans un profil de sortie à faible traînée ayant une dimension transversale

qui augmente progressivement.

Injecteur de carburant selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins deux collecteurs de carburant ( 38 a, 38 b) à partir desquels du

carburant est transmis aux tuyères convergentes-

divergentes. 6 Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un orifice de sortie au moins ( 40) comporte plusieurs fentes rectangulaires transversales ( 40) de sortie de carburant disposées en série au niveau de la paroi ( 44) de l'appareil de combustion, la première des fentes étant placée à l'extrémité interne de la surface du corps d'injecteur et la dernière des fentes étant placée à l'extrémité externe de la surface du corps, toutes les

fentes de sortie pratiquement ayant une dimension transver-

sale à la direction d'écoulement du fluide qui est supé-

rieure à sa dimension parallèle au courant de fluide, la dimension transversale des fentes de sortie augmentant de l'extrémité interne vers l'extrémité externe de la surface,

le corps de l'injecteur ayant en outre des cols transver-

saux respectifs ( 42) raccordant en série les orifices d'entrée ( 38) et les fentes de sortie ( 40), les cols ( 42)

ayant plusieurs canaux transversaux, chaque canal transver-

sal ayant une largeur pratiquement constante, la largeur des cols successifs augmentant de l'extrémité interne à

l'extrémité externe.

7 Injecteur de carburant selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée au moins ( 38) comporte un collecteur commun d'alimentation pour tous les

cols ( 42) et orifices de sortie ( 40).

8 Injecteur de carburant selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un orifice d'entrée de carburant au

moins ( 38) comprend un orifice d'entrée qui est sensible- ment parallèle à un plan X-Z et qui est immédiatement au-5 dessous de la surface de la paroi de l'appareil de combus-

tion en amont de l'extrémité interne de l'injecteur.

9 Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un orifice de sortie au moins ( 40) délimite une surface de profil tridimensionnel débouchant dans le courant d'air, et le col au moins ( 42) a un canal sensiblement rectangulaire disposé dans un seul orifice d'entrée, la section du canal étant pratiquement comprise

dans le plan Y-Z.

Injecteur de carburant selon la revendication 9, caractérisé en ce que le col ( 42) et l'orifice d'entrée de carburant ( 38) sont placés dans le corps en aval de l'extrémité externe de la surface du corps de l'injecteur

par rapport à la direction de l'écoulement de l'air, et au-

dessous de la paroi de l'appareil de combustion.