FR2757216A1 - Procede pour insuffler des premier et second composants d'un combustible, et tete d'insufflation associee - Google Patents
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Abstract
Dans une tête d'insufflation de premier et second composants d'un combustible dans une chambre de combustion (16), un élément d'insufflation renferme un ou plusieurs élément(s) (40; 60) générateur(s) de turbulence(s) pour engendrer une turbulence dans l'écoulement cylindrique (tube intérieur 24) du premier composant et/ou dans l'écoulement annulaire (conduit annulaire 34) du second composant, afin d'obtenir un bon mélange de ces composants dans une zone de mélange (25).
Description
PROCEDE POUR INSUFFLER DES PREMIER ET SECOND COMPOSANTS
D'UN COMBUSTIBLE, ET T TE D'INSUFFLATION ASSOCIEE
La présente invention se rapporte à un procédé pour insuffler des premier et second composants d'un combustible
dans une chambre de combustion, en particulier d'un groupe pro-
pulseur de fusée, procédé dans lequel les premier et second composants sont conjointement insuffles dans la chambre de com- bustion au moyen d'un ou plusieurs élément(s) d'insufflation, un élément d'insufflation guidant le premier composant selon un écoulement cylindrique intérieur et lui permettant de sortir dans une zone de mélange, en un tel écoulement cylindrique, et l'élément d'insufflation guidant le second composant en un
écoulement annulaire qui entoure l'écoulement cylindrique in-
térieur, et lui permettant de sortir dans la zone de mélange en
un tel écoulement annulaire.
L'invention concerne, par ailleurs, une tête d'insuf-
flation pour insuffler des premier et second composants d'un combustible dans une chambre de combustion attenante à ladite tête d'insufflation, laquelle comprend plusieurs éléments d'insufflation qui insufflent conjointement les premier et second composants dans la chambre de combustion, les éléments
d'insufflation guidant le premier composant selon un écoule-
ment cylindrique intérieur et lui permettant de sortir dans une zone de mélange, en un tel écoulement cylindrique, et guidant le
second composant en un écoulement annulaire qui entoure l'écou-
lement cylindrique intérieur, et lui permettant de sortir dans
la zone de mélange en un tel écoulement annulaire.
Des procédés et dispositifs de ce genre sont connus
d'après l'état de la technique.
Ils sont utilisés, en particulier, pour la délivrance et la préparation de combustibles ou carburants dans des groupes propulseurs de fusées. Dans ce cas, une tête d'insufflation est
habituellement formée d'un grand nombre d'éléments d'insuf f la-
tion, atteignant par exemple plusieurs centaines. La tête d'in-
sufflation introduit tout le débit massique du combustible dans la chambre de combustion. Les grandeurs qui sont par exemple déterminantes pour le fonctionnement d'un groupe propulseur,
telles que l'efficacité du mélange des deux composants du com-
bustible, l'homogénéite et la stabilité de la combustion, ainsi
que la contrainte thermique de parois de la chambre de combus-
tion, sont alors pour l'essentiel déterminées par le mode de délivrance et de préparation des composants du combustible au
moyen de la tête d'insufflation.
L'invention a par conséquent pour objet de fournir un
procéde assurant, par rapport à des procédés connus, un meil-
leur mélange et une préparation plus homogène du combustible
lors de l'insufflation dans la chambre de combustion.
Dans le procédé conforme à l'invention, cet objet est atteint par le fait que le premier et/ou le second composant du combustible est guidé, dans l'élément d'insufflation, par un
élément qui engendre une chute de pression et est d'un agence-
ment et d'une réalisation tels que l'énergie, libérée au cours de la chute de pression, soit convertie au moins partiellement en une énergie de turbulence de l'écoulement du premier et/ou du
second composant du combustible, en vue d'obtenir un bon mé-
lange des deux composants dans la zone de mélange.
L'élément générant la chute de pression assure un ac-
croissement du degré de turbulence du premier ou du second com-
posant du combustible affluant, respectivement, dans la cham-
bre de combustion, ledit élément impliquant un meilleur mélange
des deux composants et, de ce fait, une préparation plus homo-
gène et plus efficace du combustible. Une turbulence peut être
engendrée par une section transversale intégrale du jet consi-
déré du premier ou du second composant, ce qui permet, notamment
aussi, de mieux préparer une part du fluide combustible circu-
lant à proximité d'un axe de symétrie de l'écoulement cylindri-
que intérieur, sans qu'il se produise une ouverture considéra-
ble en éventail du jet des composants pénétrant dans la chambre de combustion. L'on évite ainsi une contrainte thermique accrue de parois de la chambre de combustion, provoquée par un trop
fort élargissement du jet de combustible mélangé.
Grâce au mélange et à la préparation meilleurs du com-
bustible pénétrant dans la chambre de combustion, les chambres de combustion peuvent être conçues d'une plus petite longueur moyennant un degré de conversion identique, ce qui permet d'at- teindre une économie de matière se traduisant, notamment, par une économie de poids dans des groupes propulseurs de fusées. Dans des têtes d'insufflation connues d'après l'état de la technique, l'on place avant les éléments d'insufflation de
la tête, côté délivrance du combustible, des éléments d'étran-
glement engendrant une déperdition de pression qui sert à dés-
accoupler dynamiquement la chambre de combustion d'avec la tête
d'insufflation afin d'éviter, entre ladite tête et ladite cham-
bre, d'éventuelles vibrations (pulsions instables) qui pour-
raient perturber la délivrance de combustible à la chambre de
combustion et diminueraient, en conséquence, le degré d'effi-
cacité de la préparation. Le procéde conforme à l'invention permet de renoncer à de tels éléments d'étranglement étant
donné que l'élément ou les éléments engendrant la chute de pres-
sion agi(ssen)t respectivement comme des étranglements de ce genre, si bien que ces éléments assurent, en plus, une meilleure
préparation du combustible.
Dans une forme de réalisation avantageuse du procédé selon l'invention, il est prévu qu'une surface de passage libre de l'élément générateur d'une chute de pression/turbulence, par l'intermédiaire duquel l'écoulement cylindrique intérieur du premier composant du combustible est guidé, soit comprise entre environ 30 % et 60 %, de préférence entre environ 40 % et 50 % d'une superficie de section transversale intérieure d'un
tube intérieur de l'élément d'insufflation, guidant l'écou-
lement cylindrique. Cela permet d'obtenir une élaboration de la chute de pression nécessaire à un désaccouplement de la tête d'insufflation et de la chambre de combustion, ainsi qu'une mise à disposition de l'énergie de turbulence nécessaire à la
génération d'un écoulement turbulent.
Des considérations analogues s'appliquent lorsque la surface de passage libre de l'élément générateur d'une chute de pression/turbulence, par l'intermédiaire duquel l'écoulement annulaire du second composant du combustible est guidé, est comprise entre environ 30 % et 60 %, de préférence entre environ
% et 50 % d'une surface annulaire d'un conduit annulaire gui-
dant l'écoulement annulaire.
Dans ce cas, les zones de passage et de non-passage d'un élément générateur d'une chute de pression/turbulence sont avantageusement disposées de façon régulière, de sorte que des
mouvements turbulents sont uniformément engendrés sur la tota-
lité d'une section transversale d'écoulement.
Dans une forme de réalisation d'un agencement structu-
rel particulièrement simple, l'élément générateur d'une chute
de pression/turbulence est une grille de turbulence. D'une ma-
nière propice, la grille de turbulence est alors disposée, dans
l'écoulement, de façon telle que le premier et/ou le second com-
posant du combustible soit guidé, avec vitesse d'écoulement, parallèlement à une perpendiculaire à la surface de ladite grille de turbulence. Cela contribue semblablement à faire en sorte que des mouvements turbulents soient engendrés dans l'écoulement, de manière uniforme sur toute la zone de section
transversale dudit écoulement, d'ou une amélioration du mélan-
ge entre les deux composants du combustible lors de l'insuf-
flation dans la chambre de combustion.
Dans une variante de réalisation, des baguettes entre-
croisees, formant la grille de turbulence, sont orientées per-
pendiculairement et parallèlement les unes aux autres, si bien qu'une grille de ce genre peut être fabriquée de manière
simple.
Dans ce cas, pour engendrer la chute de pression désac-
couplant la chambre de combustion et la tête d'insufflation, ainsi qu'une turbulence dans l'écoulement, une épaisseur des
baguettes entrecroisées représente avantageusement, perpendi-
culairement à la direction de l'écoulement, d'environ 30 % à % et, préférentiellement, d'environ 40 % à 50 % d'une largeur
de mailles de la grille de turbulence.
La disposition de la grille de turbulence n'a, jusque-
là, fait l'objet d'aucun commentaire. La ou les grille(s) de
turbulence se trouve(nt) avantageusement, dans l'élément d'in-
sufflation, à proximité d'une extrémité débouchant dans la
chambre de combustion; l'on empêche, de la sorte, une neutra-
lisation par dissipation des tourbillons engendrés par la ou les grille(s) de turbulence, avant même la pénétration dans la chambre de combustion et le mélange avec l'autre composant du
combustible.
Dans une variante de réalisation propice, il est prévu que la distance entre la ou les grille(s) de turbulence, et l'extrémité de l'élément d'insufflation qui débouche dans la chambre de combustion, se situe dans la plage comprise entre 0 et 120 fois, préférentiellement entre 25 et 80 fois l'épaisseur des baguettes entrecroisées,considéree perpendiculairement à la direction de 1 'écoulement. Une distance minimale de la ou des grille(s) de turbulence, vis-à-vis de l'extrémité débouchant dans la chambre de combustion, permet alors d'obtenir que le jet
pénétrant dans la chambre de combustion ne soit pas trop forte-
ment élargi; et une distance maximale, vis-à-vis de l'embou-
chure située côté chambre de combustion, permet d'empêcher que les tourbillons, engendrés par la grille de turbulence, soient
neutralisés avant que la chambre de combustion soit at-
teinte.
Pour obtenir un mélange et une préparation satisfai-
sants des deux composants du combustible lors de 1 'insufflation
dans la chambre de combustion, il est particulièrement avanta-
geux que le second composant soit guidé, dans l'écoulement an-
nulaire, avec une vitesse supérieure à celle du premier compo-
sant dans l'écoulement cylindrique; il s'opère par conséquent, suite à la différence de vitesse, de fortes interactions de dynamique des fluides, entre des surfaces limites des premier et second composants, lors de l'insufflation dans la chambre de combustion. Il est en particulier avantageux que la vitesse du
second composant du combustible soit au moins cinq fois supé-
rieure a la vitesse du premier composant du combustible et soit,
de préférence, environ dix fois supérieure.
Dans une variante de réalisation, il est prévu que la vitesse du premier composant du combustible, dans l'écoulement cylindrique, soit comprise entre environ 5 m/s et 40 m,,s, préfé-
rentiellement entre environ 7 m/s et 15 m/s.
Dans une variante de réalisation particulièrement favo-
rable, l'écoulement annulaire est coaxial à l'écoulement
cylindrique. Cela permet d'obtenir un bon mélange des deux com-
posants du combustible, au prix d'une faible complexité struc-
turelle.
Le premier composant du combustible peut alors consis-
ter en un liquide utilisé, en particulier, dans des groupes propulseurs de fusées fonctionnant par liquides. Ledit premier composant est de préférence un agent d'oxydation, notamment de l'oxygène liquide; et le second composant du combustible est constitué par ledit combustible, par exemple de l'hydrogène
gazeux ou du kérosène liquide.
De surcroît, l'invention a pour objet de fournir une tête d'insufflation qui assure, par rapport à des dispositifs connus, un meilleur mélange et une préparation plus homogène du
combustible lors de l'insufflation dans la chambre de combus-
tion. Conformément a l'invention, cet objet est atteint grâce
à une tête d'insufflation, par le fait qu'un élément d'insuf-
flation renferme un ou plusieurs élément(s) générateur(s) de
turbulence(s), en vue d'engendrer une turbulence dans l'écou-
lement cylindrique du premier composant du combustible et/ou
dans l'écoulement annulaire du second composant du combusti-
ble, afin de provoquer un bon mélange entre les premier et
second composants dans la zone de mélange.
Dans une forme de réalisation particulièrement propice,
l'élément générateur d'une turbulence est alors conçu de ma-
nière à provoquer une chute de pression dans l'écoulement.
La grille de turbulence peut être avantageusement
formée par un tressage métallique.
La grille de turbulence est de préférence disposée, dans
l'écoulement, de façon telle qu'une perpendiculaire a la surfa-
ce de ladite grille soit parallèle a la direction de l'écoule-
ment du premier et/ou du second composant du combustible.
Il est de préférence prévu de disposer un élément, géné- rateur d'une turbulence, respectivement dans le tube intérieur et dans le conduit annulaire de l'élément d'insufflation qui
guide l'écoulement annulaire.
La tête d'insufflation conforme a l'invention offre les
avantages déjà mentionnés au sujet du procédé selon l'inven-
tion. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 est une coupe schématique d'une forme de réa-
lisation d'une tête d'insufflation d'après l'invention;
la figure 2 est une coupe fragmentaire, à échelle agran-
die, de la zone repérée par A sur la figure 1; la figure 3 est une vue en plan d'une première forme de réalisation d'une grille de turbulence; la figure 4 représente une seconde forme de réalisation d'une grille de turbulence; et la figure 5 est une illustration schématique relative au
procédé d'insufflation selon l'invention.
Un exemple de réalisation d'une tête d'insufflation conforme a l'invention, désignée dans son ensemble par 10 sur la figure 1, comprend une multiplicité d'éléments d'insufflation 12 au moyen desquels un premier composant de combustible et un second composant de combustible sont insufflés dans une chambre de combustion 16 attenante à une extrémité de sortie 14, les
éléments d'insufflation 12 assurant un mélange des deux compo-
sants et une préparation du combustible.
Une extrémité d'admission 17, tournée a l'opposé de
l'extrémité de sortie 14 de la tête d'insufflation 10, est rac-
cordée, au moyen d'un conduit 18, à un réservoir (non illustré sur la figure) affecté au premier composant du combustible. Il peut egalement être prevu de loger, dans le conduit 18, une pompe (non représentée sur la figure) servant à solliciter la
tête d'insufflation 10 par une pression.
Ledit premier composant est constitué, par exemple, d'oxygène liquide agissant comme un agent d'oxydation du com- bustible.
Le conduit 18 débouche dans une cavité 20 qui est dispo-
sée au-dessus de l'extrémité d'admission 17 de la tête d'insuf-
flation 10, et s'étend sur une section transversale englobant tous les éléments d'insufflation 12 de ladite tête 10. La cavité
présente de préférence une symétrie de révolution par rap-
port à un axe 22 et le conduit 18, affecté au premier composant du combustible, est agencé coaxialement à cet axe 22 afin de
garantir une alimentation identique de tous les éléments d'in-
sufflation par ledit premier composant.
Un élément d'insufflation 12 comprend un tube intérieur 24 débouchant dans la cavité 20 sur l'extrémité d'admission 17 de la tête d'insufflation 10, et dans la chambre de combustion
16 sur l'extrémité de sortie 14. Le premier composant du combus-
tible est insufflé dans la chambre 16 au moyen d'un tel tube intérieur 24. Dans ladite chambre 16, l'extrémité de sortie 14
de la tête d'insufflation 10 de chaque élément 12 est directe-
ment suivie d'une zone de mélange 25 (figures 1 et 5) dans la-
quelle les deux composants du combustible se mélangent.
Un axe 26 du tube intérieur 24 est de préférence paral-
lèle à l'axe de symétrie 22.
Dans une variante de la tête d'insufflation 10 conforme à l'invention, les éléments d'insufflation 12 sont disposés de façon que leurs tubes intérieurs 24 soient coaxiaux à l'axe
22.
Le tube intérieur 24 est de réalisation cylindrique, de telle sorte que le premier composant du combustible, pénétrant dans les tubes intérieurs 24 des éléments d'insufflation 12 par l'intermédiaire du conduit 18 d'amenée du combustible et de la cavité 20, soit guidé en un écoulement cylindrique dans lesdits
tubes 24.
La tête d'insufflation 10 conforme a l'invention com-
prend un conduit 28 d'amenée du combustible, qui est raccordé à un réservoir (non illustré sur la figure) affecté au second composant du combustible constitué, par exemple, d'hydrogène gazeux ou de kérosène liquide. Il peut également être prévu d'intégrer dans le conduit 28, entre le réservoir et la tête 10,
une pompe (non représentée sur la figure) conçue pour sollici-
ter ladite tête 10 par une pression. Le second composant repré-
sente le combustible proprement dit, qui est préparé et brûlé
avec le premier composant agissant comme un agent d'oxydation.
Le conduit 28 se trouve par exemple dans une direction transver-
sale par rapport à la direction de l'axe 22, et débouche dans une
unité d'alimentation 30 au moyen de laquelle le second compo-
sant du combustible est délivré aux éléments d'insufflation
12.
L'unité d'alimentation 30 comprend un conduit d'attente 32 agence, de préférence, perpendiculairement aux axes 26 des
tubes intérieurs 24 de la tête d'insufflation 10.
Le conduit d'attente 32 débouche, par l'intermédiaire d'éléments de raccordement (non illustrés sur la figure), dans
des conduits annulaires respectifs 34 des éléments d'insuffla-
tion 12.
Le conduit annulaire 34 d'un élément d'insufflation 12
est disposé de façon à ceinturer le tube intérieur 24 dudit élé-
ment. Une surface annulaire est formée entre une face externe du tube intérieur 24 et une face interne du conduit annulaire 34, ledit conduit 34 s'étendant dans la direction de l'extrémité de sortie 14 de la tête d'insufflation 10, vis-à-vis de l'axe 26 de l'élément d'insufflation, ce qui donne naissance à une surface
d'enveloppe annulaire. Dans une variante de réalisation (figu-
re 5), la surface d'enveloppe annulaire est coaxiale à l'axe 26
du tube intérieur 24.
Grâce à la surface d'enveloppe annulaire d'un élément d'insufflation 12, le second composant du combustible peut être insufflé dans la chambre de combustion 16 selon un écoulement
annulaire, l'écoulement annulaire dudit second composant en-
tourant alors l'écoulement cylindrique intérieur du premier
composant du combustible dans les tubes intérieurs 24 des élé-
ments 12.
Dans ce cas, le conduit d'attente 32 est préférentielle-
ment agence de façon telle que le second composant du combusti-
ble soit délivré uniformément à tous les éléments d'insuffla-
tion 12 de la tête d'insufflation 10.
Sous l'effet des tubes intérieurs 24 des éléments
d'insufflation 12 de la tête d'insufflation 10 conforme à l'in-
vention, le premier composant du combustible est guidé en un
écoulement cylindrique et est insufflé dans la chambre de com-
bustion 16 qui comporte une enveloppe 36 et est réalisée, de préférence, avec symétrie de révolution autour de l'axe 22. Par
l'intermédiaire des conduits annulaires 34, le second compo-
sant du combustible est insufflé en un écoulement annulaire en-
tourant l'écoulement cylindrique intérieur du premier compo-
sant. Les deux composants du combustible se mélangent dans la zone de mélange 25. Le second composant est alors guidé, dans le conduit annulaire 34, avec une vitesse qui est supérieure à la vitesse du premier composant à écoulement cylindrique et est, en particulier, environ dix fois plus grande afin d'entretenir, lors de l'insufflation dans la chambre de combustion 16, une
différence de vitesse entre les deux écoulements considérés.
Cette différence de vitesse, entre l'écoulement du premier com-
posant et l'écoulement du second composant, se traduit par des
interactions de dynamique des fluides entre les deux compo-
sants, au cours de l'insufflation, ce qui provoque un mélange et une préparation du combustible pénétrant dans la chambre de
combustion 16.
En vue d'obtenir un bon mélange et une bonne préparation
des deux composants du combustible, chaque élément d'insuffla-
tion 12 de la tête d'insufflation 10 conforme à l'invention
renferme, dans ce cas, un ou plusieurs élément(s) 38 généra-
teur(s) de turbulence(s). Un élément 38 générateur d'une turbu-
lence, pouvant notamment se présenter comme une grille de tur-
bulence 40 (figures 3 et 4), peut alors être disposé, dans un
élément d'insufflation 12, a proximité d'une extrémité de sor-
tie du tube intérieur 24 et/ou à proximité d'une extrémité de
sortie du conduit annulaire 34.
La grille de turbulence 40 est implantée de telle sorte que le premier composant du combustible soit intégralement
guidé à travers ladite grille 40 (figure 2), et/ou que l'écoule-
ment annulaire du second composant du combustible soit intégra-
lement guidé à travers la grille associée (ce qui n'est pas illustré sur la figure). Cela peut, en particulier, être obtenu grâce au fait qu'une perpendiculaire à la surface de la grille occupe une position parallèle à l'axe 26 du tube intérieur 24.
Dans une variante de réalisation représentée sur la fi-
gure 2, le tube intérieur 24 est muni d'un rétrécissement 42
dans la direction de l'extrémité de sortie 14 de la tête d'in-
sufflation 10, si bien que la section transversale d'une
embouchure 44 du tube 24, dans la chambre de combustion 16, pré-
sente un plus petit diamètre qu'une embouchure dudit tube 24 dans la cavité 20 raccordée au conduit 18 affecté au premier composant du combustible. La grille de turbulence 40 se trouve à
une extrémité du rétrécissement 42 qui est tournée vers l'ex-
trémité de sortie 14. Le rétrécissement permet d'obtenir un ac-
croissement de la vitesse du premier composant du combustible
* au cours du passage à travers la grille 40, de sorte qu'un meil-
leur mouvement tourbillonnaire du fluide combustible est at-
teint suite à un accroissement du degré de turbulence.
La grille de turbulence 40, s'étendant sur toute la zone de la section transversale d'un tronçon 46 du tube intérieur 24
se rattachant au rétrécissement 42 et débouchant dans la cham-
bre de combustion 16, est enchâssee dans un élément de retenue
48 et repose, a plat, sur des mâchoires de retenue 50 dudit élé-
ment 48. Un élément d'intégration 52, assurant la retenue du tube intérieur 24 et reposant sur la grille 40, fait en sorte que
ladite grille 40 soit fermement enserrée dans l'élément d'in-
sufflation 12.
Dans la variante de réalisation illustrée sur la figu-
re 2, il est prévu que le second composant du combustible soit délivré au conduit annulaire 34 par le conduit d'attente 32 (non représenté sur la figure), par l'intermédiaire d'un élément de raccordement 53, lequel élément 53 débouche dans un tronçon 55 dudit conduit annulaire 34 présentant un axe parallèle à l'axe 26 du tube intérieur 24. Une surface d'enveloppe externe 54 du conduit annulaire 34, ainsi qu'une surface d'enveloppe interne
56 de ce conduit 34, se rétrécissent en direction de l'embou-
chure 44 du tube intérieur 24, vers l'extrémité de sortie 14 de
l'élément d'insufflation 12; dans ce cas, pour accroître la vi-
tesse de sortie du second composant du combustible, la surface annulaire s'amenuise dans la direction de l'embouchure 44 et une embouchure 58 du conduit 34, dans la chambre de combustion
16, ceinture ladite embouchure 44 du tube intérieur 24.
Comme le montre la figure 3, dans une variante d'un exem-
ple de réalisation, la grille de turbulence 40 ou, respective-
ment, une grille de turbulence 60 affectée à l'écoulement annu-
laire (figure 4) est constituée par des baguettes entrecroisées 62, 64 qui sont orientées parallèlement à distance les unes des
autres, et perpendiculairement les unes par rapport aux autres.
La disposition des baguettes 62, 64 à une distance déterminée forme, pour l'écoulement, une zone de passage qui se compose de mailles individuelles 66 présentant une largeur w déterminée
par la distance séparant lesdites baguettes 62, 64. Les baguet-
tes possèdent, dans ce cas, une épaisseur d. Lesdites baguettes 62, 64 sont avantageusement structurées à la manière d'un tissu, c'est-a-dire qu'une baguette s'étend, en alternance, au-dessus (68) et au-dessous (70) des baguettes qui lui sont perpendiculaires. Cela a pour effet d'accroître la stabilité et
la résistance à la pression de la grille de turbulence.
Dans une variante de réalisation avantageuse, une sur-
face de passage libre de la grille de turbulence 40 affectée à
l'écoulement cylindrique représente de 30 % à 60 % et, de préfé-
rence, de 40 % à 50 % de la superficie totale de section trans-
versale de l'écoulement cylindrique dans la zone directe de
ladite grille 40. Pour un diamètre D du tube intérieur cylin-
drique 24 (figure 5), la surface de passage libre de la grille de turbulence est alors de 30 % a 60 % et, de préférence, de 40 % a
% de la superficie de section transversale, de U/4 D2.
Dans le cas d'une grille de turbulence 60 logée dans le conduit annulaire 34, la surface de passage libre de l'écoule-
ment annulaire, s'effectuant à travers ladite grille 60, repré-
sente de 30 % à 60 % et, de préférence, de 40 % à 50 % de la sur-
face annulaire, laquelle est de 7T/4 (Da2 - Di2) pour un diamètre
interne Da mesuré à l'extérieur du conduit annulaire, et un dia-
mètre externe Di mesuré à l'intérieur dudit conduit annulaire 34, les grandeurs Da et Di se rapportant à l'emplacement auquel
la grille est disposée.
Suite à une telle réalisation de la grille de turbulence
ou 60 considérée, une chute de pression se produit, respecti-
vement, dans l'écoulement cylindique empruntant le tube inté-
rieur 24 ou dans l'écoulement annulaire parcourant le conduit
annulaire 34. Cette chute de pression provoque un désaccouple-
ment dynamique de la chambre de combustion 16 d'avec la tête d'insufflation 10. Cela a pour résultat d'éviter que des vibra-
tions (pulsions instables), engendrées dans ladite chambre 16, se répercutent sur le débit respectif du premier composant du combustible ou du second composant du combustible à travers la tête d'insufflation, et dégradent ainsi le degré d'efficacité du mélange et de la préparation des deux composants, lors de
l'insufflation dans la chambre de combustion, et donc la trans-
formation d'énergie au cours de la combustion.
La grille de turbulence 40 est située, dans ce cas, à une distance x visà-vis de l'embouchure 44 du tube intérieur 24 dans la chambre de combustion 16 (figure 5), x représentant de l'ordre de 0 à 120 fois et, préférentiellement, de 25 à 80 fois
l'épaisseur d des baguettes entrecroisées. D'une part, cela ga-
rantit que les mouvements turbulents, provoqués lors du passage de l'écoulement cylindrique à travers la grille de turbulence,
ne soient pas de nouveau en grande partie neutralisés à l'ins-
tant auquel l'embouchure 44 est atteinte, de petits tourbillons subissant une neutralisation par dissipation plus rapide que de grands tourbillons. La formation de petits tourbillons est alors favorisée par une petite largeur de mailles, le rapport, entre l'épaisseur d des baguettes et la largeur w des mailles,
avoisinant de préférence 30 % à 60 %, et notamment 40 % à 50 %.
D'autre part, cela garantit que le jet de fluide considéré du
premier ou second composant du combustible ne soit pas trop for-
tement élargi lors de la pénétration dans la chambre de combus-
tion 16. Si la grille de turbulence 40 était trop rapprochée de
l 'embouchure 44, le jet turbulent du premier composant du com-
bustible s'ouvrirait trop intensément en éventail, ce qui pour-
rait, par exemple, imposer une contrainte à l'enveloppe 36 de la chambre 16 dans le cas d'un élément d'insufflation installé à
proximité de ladite enveloppe 36.
Comme illustré schématiquement, sur la figure 5, en considérant le cas d'un élément d'insufflation individuel, la
tête d'insufflation conforme à l'invention fonctionne de la ma-
nière exposée ci-après.
Dans le tube intérieur 24, l'écoulement cylindrique du premier composant du combustible est guidé à travers la grille de turbulence 40, ce qui génère des mouvements turbulents dans
l'écoulement. Cet écoulement pénètre dans la chambre de combus-
tion 16 au niveau de l'embouchure 44. Du fait que la surface de
passage libre est diminuée au cours du passage du premier compo-
sant à travers la grille 40, il se forme, entre une partie 71 du tube intérieur 24 tournée vers la chambre 16 et une partie 72
dudit tube 24 tournée vers la cavité 20, une différence de pres-
sion par laquelle est provoqué un désaccouplement dynamique
entre la chambre 16 et l'amenée du premier composant.
Dans le conduit annulaire 34, le second composant du combustible circule selon un écoulement annulaire et pénètre
dans la chambre de combustion 16 par l'intermédiaire de l'em-
bouchure 58 dudit conduit annulaire. Lors de la pénétration dans la chambre de combustion, cet écoulement annulaire entoure
l'écoulement cylindrique accusant des mouvements turbulents.
Les deux composants se mélangent dans la zone de mélange 25 étant donné qu'il s'opère, sur une surface limite 74 entre ces deux écoulements, des interactions de dynamique des fluides qui
provoquent le mélange et la préparation du combustible.
Ce mélange et cette préparation sont amplifiés par les
mouvements turbulents engendrés au moyen de la grille de turbu-
lence 40, et sont également amplifiés du fait que la vitesse d'écoulement du second composant du combustible est supérieure
a la vitesse d'écoulement du premier composant du combustible.
De par la génération de tourbillons au moyen de la grille 40, il
est notamment aussi fait en sorte que du fluide du premier com-
posant, s'écoulant à proximité de l'axe 26 du tube intérieur 24, subisse une composante de mouvement perpendiculairement audit axe 26, et se déplace en direction de la surface limite 74, d'ou
un meilleur mélange avec le second composant sur toute la sec-
tion transversale d'écoulement.
Dans une variante de réalisation, il est prévu que le diamètre D du tube intérieur mesure entre 1 mm et 15 mm sur la
grille de turbulence, la vitesse du premier composant du com-
bustible étant comprise entre 5 m/s et 40 m/s, de préférence
entre 7 m/s et 15 m/s. La distance entre la grille 40 et l'em-
bouchure 44 mesure alors entre environ 0 mm et 35 mm, préféren-
tiellement entre 2 mm et 10 mm. Concernant la largeur w des mail-
les de la grille de turbulence 40 ou 60 considérée, il est prévu
que ladite largeur soit comprise entre 0,1 mm et 1,0 mm, de pré-
férence entre 0,2 mm et 0,25 mm.
Pour obtenir une surface de passage libre comprise entre % et 60 %, de préférence entre 40 % et 50 %, l'épaisseur d des baguettes se situe entre 0,05 mm et 0,3 mm, préférentiellement
entre 0,08 mm et 0,12 mm.
Dans une variante de réalisation conforme à l'inven-
tion, en vue d'obtenir un meilleur mélange, il est prévu de dis-
poser, dans le conduit annulaire 34, une grille de turbulence 60 conçue pour engendrer un écoulement turbulent affecté au second
composant du combustible.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention telle que décrite et représentée,
sans sortir de son cadre.
- R E V E N D I C AT I ON S -
1. Procédé pour insuffler des premier et second compo-
sants d'un combustible dans une chambre de combustion (16), en par-
ticulier d'un groupe propulseur de fusée, procédé dans lequel les premier et second composants sont conjointement insufflés dans la chambre de combustion (16) au moyen d'un ou plusieurs élé- ment(s) d'insufflation (12), un élément d'insufflation guidant le premier composant selon un écoulement cylindrique intérieur et lui permettant de sortir dans une zone de mélange, en un tel écoulement cylindrique, et 1 'élément d'insufflation (12) guidant le
second composant en un écoulement annulaire qui entoure l'écou-
lement cylindrique intérieur, et lui permettant de sortir dans
la zone de mélange en un tel écoulement annulaire, procédé ca-
ractérisé par le fait que le premier et éventuellement, ou en variante, le second composant du combustible est guidé, dans l'élément d'insufflation (12),par un élément (40;60) qui engendre une chute de pression et est d'un agencement et d'une réalisation tels que l'énergie, libérée au cours de la chute de pression, soit convertie au moins partiellement en une énergie de turbulence de l'écoulement du premier et éventuellement, ou en variante,
du second composant du combustible, en vue d'obtenir un bon mé-
lange des deux composants dans la zone de mélange.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une surface de passage libre de l'élément (40;60) générateur d'une chute de pression/turbulence, par l'intermédiaire duquel l'écoulement cylindrique intérieur du premier composant du
combustible est guidé, est comprise entre 30 % et 60 %, de préfé-
rence entre 40 % et 50 % d'une superficie de section transver-
sale intérieure d'un tube intérieur (24) de l'élément d'insuffla-
tion, guidant l'écoulement cylindrique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé
par le fait que la surface de passage libre de l'élément (40;60) généra-
teur d'une chute de pression/turbulence, par l'intermédiaire
duquel l'écoulement annulaire du second composant du combusti-
ble est guide, est comprise entre 30 % et 60 %, de préférence entre 40 % et 50 % d'une surface annulaire du conduit (18) guidant
l'écoulement annulaire.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que des zones de passage et de non-passage de l'élément (40;60) générateur d'une chute de pres-
sion/turbulence sont disposées de façon régulière.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérise par le
fait que l'élément (40;60) générateur d'une chute de pression/turbu-
lence est une grille (40)..de turbulence.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le
fait que la grille de turbulence (40) est disposée, dans l'écoule-
ment, de façon telle que le premier et éventuellement, ou en va-
riante, le second composant du combustible soit guidé, avec vitesse d'écoulement, parallèlement à une perpendiculaire à la
surface de ladite grille de turbulence(40).
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que des baguettes entrecroisées (62,64), formant la grille
de turbulence, sont agencées perpendiculairement et parallèle-
ment les unes aux autres.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'une épaisseur des baguettes entrecroisées (62,64) représente, perpendiculairement à la direction de l'écoulement, de 30 % à % et, préférentiellement, de 40 % à 50 % d'une largeur de
mailles (66) de la grille de turbulence (40).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à
8, caractérisé par le fait que la ou les grille (s) de turbulence (40) se trouve(nt), dans l'élément d'insufflation, à proximité
d'une extrémité débouchant dans la chambre de combustion (16).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la distance entre la ou les grille(s) de turbulence (40), et l'extrémité de l'élément d'insufflation (12) qui débouche dans la chambre de combustion (16),se situe dans la plage comprise entre 0 et 120 fois, préférentiellement entre 25 et 80 fois l'épaisseur des baguettes entrecroisées (62,64),considérée perpendiculairement à
la direction de l'écoulement.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que le second composant du combustible est guide, dans l'écoulement annulaire, avec une vitesse supérieure à celle du premier composant du combustible
dans l'écoulement cylindrique.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la vitesse du second composant du combustible est au moins cinq fois supérieure à la vitesse du premier composant du combustible. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la vitesse du second composant du combustible est environ dix fois supérieure à la vitesse du premier composant du combustible.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que la vitesse du premier composant du combustible, dans l'écoulement cylindrique, est comprise entre environ 5 m/s et 40 m/s, préférentiellement
entre environ 7 m/s et 15 m/s.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que l'écoulement annulai-
re est coaxial à l'écoulement cylindrique.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que le premier composant
du combustible est un liquide.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé par le fait que le premier composant
du combustible est un agent d'oxydation.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé par
le fait que le second composant du combustible est ledit combus-
tible. 19. Tête d'insufflation pour insuffler des premier et
second composants d'un combustible dans une chambre de combus-
tion attenante à ladite tête d'insufflation, laquelle comprend plusieurs éléments d'insufflation qui insufflent conjointement les premier et second composants dans la chambre de combustion, les éléments d'insufflation guidant le premier composant selon un écoulement cylindrique intérieur et lui permettant de sortir dans une zone de mélange, en un tel écoulement cylindrique, et
guidant le second composant en un écoulement annulaire qui en-
toure l'écoulement cylindrique intérieur, et lui permettant de sortir dans la zone de mélange en un tel écoulement annulaire, tête caractérisée par le fait qu'un élément d'insufflation (12) renferme un ou plusieurs élément(s) (40; 60) générateur(s) de
turbulence(s), en vue d'engendrer une turbulence dans l'écou-
lement cylindrique du premier composant du combustible et éven-
tuellement, ou en variante, dans l'écoulement annulaire du se-
cond composant du combustible, afin de provoquer un bon mélange entre les premier et second composants dans la zone de mélange (25).
20. Tête d'insufflation selon la revendication 19, ca-
ractérisee par le fait que l'élément (40; 60) générateur d'une
turbulence est réalisé de manière à provoquer une chute de pres-
sion dans l'écoulement.
21. Tête d'insufflation selon la revendication 20, ca-
ractérisée par le fait qu'une surface de passage libre de l'élé-
ment (40) générateur d'une turbulence, logé dans un tube intérieur (24) de l'élément d'insufflation (12) qui guide l'écoulement cylindrique intérieur, est comprise entre 30 % et
%, de préférence entre 40 % et 50 % d'une superficie de sec-
tion transversale dudit tube intérieur (24).
22. Tête d'insufflation selon la revendication 20 ou 21, caractérisée par le fait que la surface de passage libre de l'élément (60) générateur d'une turbulence, logé dans un conduit annulaire (34) de l'élément d'insufflation (12) qui guide l'écoulement annulaire, est comprise entre 30 % et 60 %, de préférence entre 40 % et 50 % d'une surface annulaire dudit
conduit annulaire (34).
23. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 20 à 22, caractérisée par le fait que des zones de passage et de non-passage de l'élément (40; 60) générateur
d'une turbulence sont disposées de façon régulière.
24. Tête d'insufflation selon la revendication 23, ca-
ractérisée par le fait que l'élément générateur d'une turbu-
lence est une grille de turbulence (40; 60).
25. Tête d'insufflation selon la revendication 24, ca-
ractérisée par le fait que la grille de turbulence (40; 60) est
formée par un tressage métallique.
26. Tête d'insufflation selon la revendication 25, ca- ractérisée par le fait que la grille de turbulence (40; 60) est
disposée, dans l'écoulement, de façon telle qu'une perpendicu-
laire à la surface de ladite grille (40; 60) soit parallèle à la direction de l'écoulement du premier et éventuellement, ou en
variante, du second composant du combustible.
27. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des
revendications 24 à 26, caractérisee par le fait que des ba-
guettes entrecroisées (62, 64), formant la grille de turbulence (40; 60), sont orientées perpendiculairement et parallèlement
les unes aux autres.
28. Tête d'insufflation selon la revendication 27, ca-
ractérisee par le fait qu'une épaisseur (d) des baguettes en-
trecroisees représente, perpendiculairement à la direction de l'écoulement, de 30 % à 60 % et, préférentiellement, de 40 % à 50 % d'une largeur (w) de mailles de la grille de turbulence
(40; 60).
29. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 24 à 28, caractérisée par le fait que la ou les
grille(s) de turbulence (40; 60) se trouve(nt), dans les élé-
ments d'insufflation (12), a proximité d'une extrémité (14)
débouchant dans la chambre de combustion (16).
30. Tête d'insufflation selon la revendication 29, ca-
ractérisée par le fait que la distance (x) entre la ou les gril-
le(s) de turbulence (40; 60), et l'extrémité des éléments d'in-
sufflation (12) qui débouche dans la chambre de combustion (16), se situe dans la plage comprise entre 0 et 120 fois et,
préférentiellement, entre 25 et 80 fois l'épaisseur (d) des ba-
guettes entrecroisées (62, 64),considéree perpendiculairement
à la direction de l'écoulement.
31. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 19 à 30, caractérisée par le fait que l'écoulement annulaire est guidé coaxialement à l'écoulement cylindrique
dans le tube intérieur (24).
32. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 19 à 31, caractérisée par le fait qu'il est prévu de disposer un élément (40; 60), générateur d'une turbulence, respectivement dans le tube intérieur (24) et dans le conduit annulaire (34) de l'élément d'insufflation (12) qui guide
l'écoulement annulaire.
33. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 19 à 32, caractérisée par le fait que le second
composant du combustible est guidé, dans l'écoulement annulai-
re, avec une vitesse supérieure à celle du premier composant du
combustible dans l'écoulement cylindrique intérieur.
34. Tête d'insufflation selon la revendication 33, ca-
ractérisée par le fait que la vitesse du second composant du combustible est au moins cinq fois supérieure à la vitesse du
premier composant du combustible.
35. Tête d'insufflation selon la revendication 34, ca-
ractérisée par le fait que la vitesse du second composant du combustible est environ dix fois supérieure à la vitesse du
premier composant du combustible.
36. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 19 à 35, caractérisée par le fait que le premier
composant du combustible est guidé, dans l'écoulement cylin-
drique intérieur, avec une vitesse comprise entre environ 5 m/s
et 40 m/s, préférentiellement entre environ 7 m/s et 15 m/s.
37. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 19 à 36, caractérisée par le fait que le premier
composant du combustible est un liquide.
38. Tête d'insufflation selon l'une quelconque des re-
vendications 19 à 37, caractérisée par le fait que le premier
composant du combustible est un agent d'oxydation.
39. Tête d'insufflation selon la revendication 38, ca-
ractérisée par le fait que le second composant du combustible
*est ledit combustible.
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