FR2972225A1 - Injecteur pour tete d'injection d'une chambre de combustion - Google Patents

Abstract

Injecteur pour tête d'injection d'une chambre de combustion d'un moteur fusée. Selon l'invention, cet injecteur (1) est constitué d'un conduit unique (3) alimenté à son extrémité amont (10) en un premier ergol (A) et débouchant à son extrémité aval (30) dans la chambre de combustion (31), ce conduit (3) possédant en outre, formée dans sa paroi (2), une couronne (20) munie de perçages obliques latéraux (22) alimentés en un deuxième ergol (B) afin de permettre le mélange des deux ergols (A, B) et leur injection dans la chambre de combustion (31) par l'extrémité aval (30).

Description

L'invention se rapporte à un injecteur d'une tête d'injection d'une chambre de combustion d'un moteur fusée comportant une extrémité alimentée en un premier ergol, une alimentation en un deuxième ergol disposée en son sein, et une deuxième extrémité débouchant dans la chambre de combustion pour y injecter le mélange des deux ergols. Elle concerne plus particulièrement des injecteurs simplifiés, à fort débit et à coûts réduits, offrant de plus une facilité de réalisation et d'assemblage. L'invention s'applique notamment au domaine des chambres de combustion, qu'elles soient propulsives ou appartenant à un générateur de gaz ou à une préchambre, de moteurs-fusées. Dans un injecteur du type précédent, il est nécessaire d'assurer un mélange des deux ergols le plus homogène possible et dans les proportions les plus proches du rapport de mélange souhaité afin d'assurer la meilleure combustion possible. Un fort débit est également une caractéristique importante pour augmenter la puissance des moteurs ou réduire le nombre d'injecteurs. Pour ces raisons, l'état de la technique n'a cessé d'évoluer vers une complexification continue des injecteurs, multipliant notamment le nombre de pièces les composant, pour augmenter la proximité des deux ergols lors du mélange tout en assurant un débit important. Ont ainsi été développés des injecteurs coaxiaux visant à introduire le deuxième ergol dans une veine annulaire entourant le premier ergol. Des injecteurs tricoaxiaux compliquent encore la géométrie de l'injecteur pour insérer une veine annulaire constituée par le deuxième ergol entre deux veines constituées par le premier ergol. Un exemple d'injecteur tricoaxial est décrit dans le brevet américain US 6 502 385. Malheureusement, ces solutions de plus en plus complexes entraînent une augmentation du nombre de pièces composant l'injecteur et donc l'apparition de difficultés de réalisation et d'assemblage toujours plus importantes. Naturellement, cette complexité et ces difficultés accrues s'accompagnent de coûts plus importants. De plus, ces géométries, même les plus récentes et les plus abouties, limitent intrinsèquement le débit unitaire de ces injecteurs. La seule solution disponible pour augmenter le débit total passe alors nécessairement par une augmentation du nombre d'injecteurs : cette augmentation entraîne un accroissement du diamètre des têtes d'injection donc de leur poids et de leur coût en plus de difficultés d'intégration accrues. Enfin, la complexification de la géométrie des injecteurs, avec notamment la multiplication des veines d'ergols et de leurs conduits d'alimentation, entraîne un calibrage des débits bien plus compliqué dans les circuits d'ergols. La présente invention permet de résoudre tous ces problèmes. Plus particulièrement, l'invention concerne un injecteur d'une tête d'injection pour une chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un conduit unique alimenté à son extrémité amont en un premier ergol et débouchant à son extrémité aval dans la chambre de combustion, et en ce que ce conduit possède, formée dans sa paroi, une couronne munie de perçages obliques latéraux alimentés en un deuxième ergol afin de permettre le mélange des deux ergols et leur injection dans la chambre de combustion par l'extrémité aval.

Cet injecteur est donc simplifié à l'extrême, réduisant son nombre de pièces au minimum : il ne comporte qu'une seule veine du premier ergol, débutant à l'extrémité amont du conduit en communication avec une cavité de répartition du premier ergol, dans laquelle vient s'additionner en cours de route le deuxième ergol par l'intermédiaire des perçages de la couronne communiquant avec une cavité de répartition du deuxième ergol. Le mélange des deux ergols a donc lieu au niveau de cette couronne et à son aval avant d'être injecté par l'extrémité aval dans la chambre de combustion. Le calibrage du premier ergol peut être assuré directement par l'entrée du conduit en profitant d'un effet venturi naturel dans l'injecteur. Le calibrage du deuxième ergol peut être réglé par plusieurs paramètres. L'angle formé par les perçages obliques contribue à la performance de l'injection, à savoir la qualité de l'atomisation du deuxième ergol dans le premier, c'est-à-dire de l'éclatement des gouttelettes du deuxième ergol pour une injection type liquide/liquide et plus généralement à la qualité du mélange pour une injection gaz/liquide voire gaz/gaz. La section et le nombre des perçages définissent quant à eux le débit, la vitesse d'injection et la perte de charge à l'injection du deuxième ergol et dépendront donc du débit total de l'injecteur et du rapport de mélange souhaité ; ils contribuent également à la performance. De plus, dans le cas d'une couronne comportant plusieurs rangées de perçages, un réglage dissocié entre les différentes rangées de la géométrie des perçages ou de leur disposition permet de régler plus finement la distribution, la taille des gouttelettes et plus généralement le mélange ergol A/ergol B afin de maîtriser la performance de l'injection.

De façon avantageuse et préférentielle, la couronne est divergente. L'angle formée par cette section divergente est un nouveau paramètre influant sur le comportement du deuxième ergol en sortie des perçages et donc sur le mélange. Cette section divergente définit de plus une section de conduit plus importante en aval.

De préférence, l'injecteur est constitué d'une seule pièce. De cette manière, les procédés de réalisation et d'assemblage sont simplifiés à l'extrême. Avantageusement, une grille d'homogénéisation et de calibrage est disposée en amont du conduit unique afin de réaliser le calibrage du premier ergol. Cette grille complète avantageusement les moyens de calibrage évoqués plus haut. Selon un mode de réalisation avantageux, la couronne divergente est située au niveau de l'extrémité aval du conduit unique. Selon un autre mode de réalisation avantageux, la couronne divergente est constituée par une portion tronconique dudit conduit unique délimitant ainsi en aval une portion de conduit de section plus importante qu'en amont de la couronne divergente, cette portion formant une cavité de pré-mélange. De façon avantageuse, un noyau muni de listels hélicoïdaux ou de perçages est agencé dans le conduit unique en amont de la couronne divergente pour imprimer un effet vortex dans le flux du premier ergol afin de favoriser son mélange avec le deuxième ergol. Enfin, de manière indépendante, l'invention concerne également une tête d'injection d'une chambre de combustion caractérisée en ce qu'elle comprend un ou plusieurs injecteurs selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un injecteur conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe axiale de l'injecteur selon l'invention ; La figure 2 est issue de la figure 1 dans laquelle on a schématiquement ajouté un noyau muni de listels hélicoïdaux ; La figure 3 est une vue schématique en coupe axiale d'un injecteur dont la couronne divergente est située à son extrémité aval ; La figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d'un injecteur muni d'une cavité de pré-mélange. Sur la figure 1 est représenté un exemple de réalisation d'un injecteur selon l'invention en coupe axiale. L'injecteur 1 est formé d'une seule pièce sensiblement cylindrique à base circulaire 2 creuse et formant un conduit 3. L'injecteur 1 admet la droite X comme axe de symétrie orthogonale. Ce conduit unique 3 possède deux extrémités 10 et 30. La première extrémité 10, dite extrémité amont, est en communication avec la cavité de répartition 11 du premier ergol A : ce premier ergol peut selon les cas être l'oxydant ou le réducteur. En fonctionnement, le premier ergol A s'écoule donc dans le conduit unique 3 à partir de son extrémité amont 10, le diamètre du conduit 3 à ce niveau réglant le débit de premier ergol A entrant dans l'injecteur 1.

Pour améliorer le calibrage du premier ergol A, il est possible d'insérer une grille d'homogénéisation et de calibrage 12 entre la cavité de répartition du premier ergol 11 et l'extrémité amont 10 du conduit unique 3. Cette grille 12 est munie d'une pluralité de perforations 13 dont la section et la répartition permettent d'une part d'assurer l'homogénéité de l'alimentation en premier ergol A dans l'injecteur 1, et d'autre part de régler son débit. La deuxième extrémité 30, dite extrémité aval, du conduit unique 3 débouche dans, ou tout au moins vers, la chambre de combustion 31. Elle y injecte le mélange des deux ergols pour permettre la combustion.

Entre ces deux extrémités 10 et 30, est disposée à un niveau choisi du conduit unique 3 (à son extrémité aval 30 dans la figure 1) une couronne 20, de préférence divergente comme cela est représenté sur les figures, munie de perçages obliques et convergents 22 dans sa paroi latérale, c'est-à-dire dans la pièce cylindrique 2. Ces perçages mettent en communication la cavité de répartition 21 du deuxième ergol B avec le conduit unique 3 au niveau de la couronne divergente 20. Le deuxième ergol B s'écoule alors dans le conduit unique 3 de l'injecteur 1 par l'intermédiaire de ces perçages 22 : il rencontre alors le premier ergol A avec lequel il se mélange. Grâce à la géométrie de la couronne 20 et des perçages 22, le calibrage du deuxième ergol B est réalisé. L'angle formé par les perçages 22 détermine l'atomisation de l'ergol à son arrivée dans le conduit unique 3 : plus les gouttelettes de deuxième ergol B seront fines, plus son mélange avec le premier ergol A sera homogène. Le rendement de combustion dépend ainsi directement de la qualité de cette atomisation et donc de cet angle d'injection du deuxième ergol B. La section des perçages 22 permet quant à elle de régler le débit du deuxième ergol B et dépendra du rapport de mélange souhaité. Afin de réaliser une injection plus homogène et répartie du deuxième ergol B dans le conduit unique 3, les perçages 22 peuvent être prévus sur toute la circonférence de la couronne 20 et sur plusieurs rangées dont les réglages ne sont pas nécessairement identiques. Par sa grande simplicité, la réalisation de ce type d'injecteur est très facile par des procédés d'usinage classiques (tournage, perçages etc.). L'assemblage et l'intégration d'un tel injecteur sont également aisément réalisés par des procédés d'assemblage classiques notamment par soudage (TIG, par faisceau d'électrons, plasma, laser, etc.) ou par brasage, ou en étant directement partie intégrante d'une plaque d'injection monobloc. Lorsque la couronne divergente 20 est située à l'extrémité aval 30 du conduit unique 3 comme sur la figure 3, le mélange des deux ergols A et B est réalisé à l'interface entre l'injecteur 1 et la chambre de combustion 31. Il est également possible de disposer la couronne divergente 20 à un autre niveau du conduit unique 3, plus en amont de l'extrémité aval 30, comme dans la figure 4. Grâce à sa forme tronconique, la couronne divergente 20 élargit alors la section du conduit unique 3 formant ainsi une cavité de pré-mélange 4 s'étendant entre la couronne divergente 20 et l'extrémité aval 30: cette cavité permet l'injection d'un mélange plus homogène dans la chambre de combustion 31.

Une amélioration possible de l'invention est représentée sur la figure 2 : cette figure représente l'injecteur 1 de la figure 1 dans lequel a été agencé un listel à noyau 40. Ce listel à noyau 40 se compose d'un noyau 41, lisse, en forme générale d'ogive, s'étendant dans le conduit unique 3, coaxialement à ce dernier, sur sensiblement toute sa longueur située en amont de la couronne divergente 20. La pointe de l'ogive, au profil adouci, est dirigée vers l'aval. Ce noyau 41 peut être muni sur tout ou partie de sa longueur, de listels en forme de « swirler » 42, c'est-à-dire sous la forme d'ailettes hélicoïdales inclinées. Cette zone de listels 42 est disposée en amont de la couronne divergente 20.

Ce listel à noyau 40 permet d'imprimer un effet vortex dans le flux de premier ergol A en amont de la couronne divergente 20, ce qui augmente localement, au niveau de la couronne 20, les incidences des ergols A et B en leur lieu de contact, et densifie la zone d'échange entraînant ainsi un meilleur mélange des ergols.

Ce listel à noyau 40 peut être facilement réalisé et assemblé par soudage ou brasage, ou directement usiné dans la masse. Ce listel à noyau 40 peut être également remplacé par des trous désaxés inclinés percés dans la masse. Un insert en hélice est également envisageable. Ces exemples ont été décrits uniquement à titre d'illustrations et ne sauraient limiter la portée de l'invention. L'homme du métier pourra aisément reconnaître toutes les applications comprises dans l'esprit et la portée de l'invention.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Injecteur (1) d'une tête d'injection pour une chambre de combustion (31), caractérisé en ce qu'il est constitué d'un conduit unique (3) alimenté à son extrémité amont (10) en un premier ergol (A) et débouchant à son extrémité aval (30) dans la chambre de combustion (31), et en ce que ce conduit (3) possède, formée dans sa paroi (2), une couronne (20) munie de perçages obliques latéraux (22) alimentés en un deuxième ergol (B) afin de permettre le mélange des deux ergols (A, B) et leur injection dans la chambre de combustion (31) par l'extrémité aval (30).
2. 2. Injecteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne (20) est divergente et en ce que les trous (22) sont convergents.
3. 3. Injecteur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce (2).
4. 4. Injecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une grille d'homogénéisation et de calibrage (12) est disposée en amont du conduit unique (3) afin de réaliser le calibrage du premier ergol (A).
5. 5. Injecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la couronne divergente (20) est située au niveau de l'extrémité aval (30) du conduit unique (3).
6. 6. Injecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la couronne divergente (20) est constituée par une portion tronconique dudit conduit unique (3) délimitant ainsi en aval une portion de conduit de section plus importantequ'en amont de la couronne divergente (20), cette portion formant une cavité de pré-mélange (4).
7. 7. Injecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un noyau (41) muni de listels hélicoïdaux (42) ou de perçages est agencé dans le conduit unique (3) en amont de la couronne divergente (20) pour imprimer un effet vortex dans le flux du premier ergol (A) afin de favoriser son mélange avec le deuxième ergol (B).
8. 8. Tête d'injection d'une chambre de combustion, caractérisée en ce qu'elle comprend un ou plusieurs injecteurs (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.