WO2019063935A1 - Paroi d'injection pour une chambre de combustion de moteur-fusee - Google Patents

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WO2019063935A1
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injection
wall
orifices
combustion chamber
injection wall
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PCT/FR2018/052364
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Raphaël SALAPETE
Philippe JOVER
Carlos CRUZ
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Arianegroup Sas
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44—Feeding propellants
    • F02K9/52—Injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/73—Shape asymmetric

Definitions

  • the present disclosure relates to an injection wall, particularly for a combustion chamber.
  • Such an injection wall can find its application in the field of combustion chambers for aerospace engines.
  • an injection wall for example in the form of plate or dome, comprising a plurality of injection orifices.
  • a plate is generally arranged at the bottom of the combustion chamber.
  • Each of these injection ports receives an injector extending perpendicular to the injection plate and injecting a fluid, for example a fuel, or a mixture of fluids, for example a fuel and an oxidant, in an injection direction. perpendicular to the injection wall.
  • the injection orifices are evenly distributed on the injection wall, according to patterns or networks having symmetries relative to certain planes and / or invariances by rotation.
  • the object of the present invention is to remedy at least substantially these disadvantages.
  • the present disclosure relates to an injection wall for a rocket engine combustion chamber, the wall being provided with a plurality of injection orifices, a majority of said injection orifices being arranged. according to an asymmetrical and uniform distribution.
  • the wall designates a generally continuous part whose thickness is very small compared to the dimensions of the wall perpendicular to the thickness.
  • the wall may take the form of a plate, a dome or a ring.
  • a plate is a flat or substantially flat piece extending mainly in a plane.
  • a dome is a room with a general curvature from the center of the dome to its periphery.
  • a ring is a piece that draws a closed outline around an axis.
  • a ring may be substantially cylindrical, of any base, or substantially frustoconical. While the wall of a ring extending substantially longitudinally with respect to said axis, a plate or a dome extends substantially transversely to its axis.
  • the injection wall has the technical characteristics that make it suitable for injection for a combustion chamber of a rocket engine, especially given the temperatures and pressures that sit therein.
  • the combustion chamber may be, for example, the main combustion chamber of a rocket engine or the combustion chamber. combustion of a gas generator, in which the temperatures are of the order of respectively 3600 K and 900 K (Kelvin).
  • each injection port outputs an injection jet, or more simply jet, composed of one or more fluids.
  • An injection jet may have any shape, for example cylindrical or conical. In general, an injection jet may have a symmetrical shape of revolution around an injection direction.
  • the majority of the injection orifices designates at least half of the injection orifices. Preferably, all the injection orifices are arranged in an asymmetrical and uniform distribution. Subsequently, unless explicitly indicated otherwise or contextual, an injection port designates an injection port of said majority.
  • an asymmetrical distribution has no axis or plane of symmetry nor invariance by rotation or translation.
  • an arrangement of injection ports in successive rings and / or network with identical repetition of an arc or a mesh is not considered, within the meaning of this presentation, as asymmetrical.
  • a uniform distribution is a substantially equal distribution of the injection orifices.
  • a distribution may be considered uniform if a convex zone of fixed size of the plate, chosen arbitrarily but sufficiently large to be statistically representative, has substantially the same density of injection orifices regardless of its position on the plate.
  • a distribution may be considered as uniform, such that in the zone of the wall in which the majority of the injection orifices are disposed, the distance from an injection orifice to the immediately adjacent injection orifices in all directions is within a predetermined range, the ratio between the upper limit of the range and the lower limit of the range being less than or equal to 10, preferably 5, more preferably 3, more preferably 2. There may still be other uniform distributions of the injection ports of said majority.
  • the surface density of injection rates is optimized. in order to limit the transversal modes of instability, and consequently to reduce oscillations and phenomena of high-frequency combustion instability, while guaranteeing homogeneous combustion throughout the injection chamber. This results in an improvement in the performance of the combustion chamber and an extension of the service life of the combustion chamber.
  • the injection orifices are arranged along a spiral, preferably at regular angular intervals. More preferably, said angular interval may have no multiple, expressed in radians, divisible by 2 ⁇ , so as to avoid any periodicity in the tangential arrangement of the injection orifices.
  • the spiral may pass through the centers of said injection ports. The use of a spiral makes it possible to easily avoid the presence, on the injection wall, of a circle on which there would be no injection orifice.
  • Such a spiral is sometimes called Archimedean spiral of index c and includes in particular the parabolic spirals, Fermat spirals, spirals of Archimedes, etc.
  • r is the radius of the polar coordinates
  • the angle ⁇ is the azimuth of the polar coordinates
  • A, B and C are constants.
  • C may be between 0.5 and 0.7.
  • the polar coordinates of the center of an injection orifice i may be given later:
  • the polar coordinates of the injection orifices are given later:
  • the orifices of said majority are cylindrical orifices of axis locally perpendicular to the injection wall.
  • the wall is further provided with a hole configured to receive an igniter and the orifices are placed at a distance from the periphery of said hole greater than or equal to a first predetermined distance, for example a tenth the radius of said orifices, see once the radius of said orifices.
  • the wall may include one or more such holes.
  • An igniter is a device configured to supply energy to a mixture of fluids to initiate the reaction. Said distance can be measured between an edge of the hole and an edge of the orifice. In these embodiments, despite the uniform distribution of the injection ports, a minimum space is left around the igniter to meet mechanical strength criteria.
  • said hole may be configured to receive an injector.
  • the orifices are placed at a distance from the edge of the injection wall greater than or equal to a second predetermined distance, for example one tenth of the radius of said orifices, preferably between one and five times the radius of said orifices. Said distance can be measured between an outer or peripheral edge of the injection wall and an edge of the orifice. In these embodiments, despite the uniform distribution of the injection orifices, a minimum space is left relative to the edge of the injection wall, to prevent the combustion flame, which is generally fixed on the walls of the injectors, does not create hot spots around the edge of the firebox.
  • the orifices closest to the edge of the injection wall are inclined towards the inside of the injection wall. This characteristic, alternatively or in addition to the second predetermined distance, also aims to avoid hot spots around the perimeter of the combustion chamber.
  • the ratio of the cumulative surface area of the injection orifices to the total surface of the injection wall is between 0.6 and 0.95, preferably between 0.8 and 0, 95.
  • the total surface of the injection wall takes into account the space occupied by the injection ports.
  • the injection wall comprises from 20 to 500 injection orifices, preferably between 50 and 250 injection orifices, preferably between 80 and 120 injection orifices.
  • the present disclosure also relates to an injection system comprising an injection wall as described above and a plurality of injectors respectively mounted in correspondence with the injection orifices.
  • the injectors may be separate from the injection plate or form a single piece with the injection wall.
  • An injector is said mounted in correspondence with an injection port if the injector is mounted relative to the injection port so that the injector injects the fluid or fluids through the injection port .
  • the injector may be inserted into the injection orifice or placed opposite the injection orifice, or the outlet of the injector may be connected to the injection orifice by means of an intermediate piece.
  • the injectors may be single injectors (single-propellant) or multi-propellant, for injecting simultaneously one or more propellants, possibly coaxial, for example according to a purely axial or swirling flow ("swirlé").
  • the present disclosure also relates to a rocket engine combustion chamber, comprising an injection wall such that previously described or an injection system as previously described.
  • a rocket engine combustion chamber is such that both the fuel and the oxidant are injected into the combustion chamber via the injection ports of the injection wall. Given its use in space, such a room does not include ventilation holes for the passage of cooling air and / or dilution.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber comprising an injection wall
  • FIG. 2 is a view from above of an injection wall according to a first embodiment
  • FIG. 3 illustrates the distribution of the injection orifices of the injection wall according to the first embodiment
  • FIG. 4 illustrates the distribution of the injection ports of the injection wall according to a second embodiment.
  • FIG. 1 schematically illustrates an injection plate 10 according to one embodiment, installed in a combustion chamber 12 partially shown, for example a main engine rocket combustion chamber.
  • the injection wall 10 forms, with a plurality of injectors 14, an injection system for the injection of fluids, in this case fuel and oxidant, for example an oxidizing propellant and a reducing propellant, in the combustion chamber 12.
  • the injectors 14 are mounted in correspondence with orifices 20 of the injection plate 10, so as to allow the circulation and the injection of fluid by the injectors 14 through the corresponding injection orifices 20.
  • the thickness of the injection wall may be of the order of a few millimeters, typically 1 to 20 millimeters.
  • the injection wall may have a length ranging from about 10 centimeters to more than one meter, for example 1.5 meters.
  • Figure 2 is a top view of the injection wall 10.
  • the injection wall 10 is a flat plate, here of circular outline.
  • the injection wall 10 is provided with a plurality of injection orifices 20.
  • the injection orifices 20 are cylindrical with a circular base.
  • other shapes are possible, for example cylindrical shapes with a non-circular or frustoconical base.
  • the diameter of the injection orifices is here constant and can measure between 2 and 20 millimeters.
  • a majority of said injection ports 20 is arranged in an asymmetrical and uniform distribution. Indeed, as can be seen in FIG. 2, with the exception of edge effects near the center O of the injection wall 10 and the edge 18 at the periphery of the injection wall 10, the density of injection orifices is substantially constant over the entire area in which the majority of the injection orifices 20 are located, here over the entire injection wall 10. Such a distribution has no overlapping of the orifices between them, nor a gap in orifices. Moreover, in the plane in which the injection wall 10 extends, in this case perpendicularly to its axis Z, the injection wall 10 has no element of symmetry nor invariance by rotation or translation.
  • the injection wall 10 is provided with a hole 16 configured to receive an igniter.
  • the hole 16 is provided in the center of the injection wall 10.
  • the hole 16 may have a diameter greater than that of the injection ports 20.
  • the injection orifices 20, whether or not they belong to at the majority of orifices arranged in a uniform and asymmetrical distribution, are here placed at least at a first predetermined distance d1 from the periphery of said hole 16.
  • the distance d1 may be greater than or equal to a radius of said orifices, as it is the case in Figure 2.
  • the igniter for housing in the hole 16 is thus preserved from the combustion flames.
  • the injection orifices 20, whether or not they belong to the majority of orifices arranged in a uniform and asymmetrical distribution, are placed at least at a second predetermined distance d2 of the 18 edge of the injection wall 10.
  • the edge 18 of the injection plate 10 is its outer periphery, configured to be in the vicinity and / or in contact with an outer wall of the combustion chamber 12. Thus, the edge 18 does not include the periphery of the hole 16.
  • the second predetermined distance d2 may be dimensioned to hold the thermomechanical loads and ensure the thermochemical compatibility of the chamber wall of the combustion member. In one example, the second predetermined distance d2 may be greater than or equal to a radius of the injection orifices.
  • the injection ports 20 'closest to the edge 18 of the injection wall 10 can to be inclined towards the inside of the injection wall 10.
  • a direction directed towards the inside of the injection wall 10 designates any direction as projected on the injection wall 10, the length between the orifice 20 'injection and the edge 18 of the wall The closest in said direction is greater than or equal to the length between the injection port 20 'and the edge 18 of the nearest wall in a direction opposite to said direction.
  • the injection orifices 20 'closest to the edge 18 of the injection wall 10 may be inclined radially toward a central axis normal to the injection wall 10, here the Z axis, all said orifices 20 'injection being inclined towards the same side of the injection wall 10, in this case the combustion chamber of the combustion chamber 12.
  • the inclination of the injection port 20' inwardly , and, in this case, the associated injector 14 ', is shown in FIG. 1.
  • the inclination of the axis of the injection orifice 20 with respect to a local normal to the Injection wall 10 may be between 0 ° and 10 °, preferably between 1 ° and 7 °.
  • the injection orifices 20 are orifices of locally perpendicular axis. at the injection wall 10. the injectors 14 can be respectively engaged in the injection orifices 20, each injector 14 then extending locally perpendicularly to the injection wall 10.
  • FIG. 3 shows the distribution of the injection orifices used for the injection wall 10 according to the first embodiment.
  • the injection orifices are arranged along an SI spiral.
  • the spiral SI may have as center the center O of the injection wall 10.
  • Each injection orifice i, i being a natural integer, is identified by its polar coordinates (, ⁇ ), which are, more precisely in the present embodiment, the polar coordinates of its center.
  • the polar coordinates can be coordinates in projection on a plane or curvilinear coordinates which follow the curvature of the injection wall.
  • the injection orifices It remains to be determined where, on the spiral SI, are placed the injection orifices. This can be done unambiguously by determining the angular interval between two successive orifices on the spiral.
  • the injection ports are placed at regular angular intervals along the SI spiral. This means that the series of angles () is an arithmetic sequence whose reason is the angular interval, and the radius is then determined by the equation of the spiral SI.
  • FIG. 4 shows a distribution of the injection orifices of the injection wall according to a second embodiment.
  • the elements corresponding or identical to those of the first embodiment will receive the same reference sign and will not be described again.
  • this embodiment is chosen to place the injection orifices, or more precisely their respective centers, at regular angular intervals along the spiral S2.
  • it could be otherwise as far as this leads to a uniform and asymmetrical distribution of the injection orifices in the injection wall 10.
  • ⁇ 1 2 ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the constants a and d are multiplicative factors allowing the positioning of each injection orifice relative to the first orifice of the suite, as well as the inter-orifice gap. These constants may be chosen so as to ensure a minimum inter-orifices gap and to guarantee the absence of overlapping of the orifices.
  • the exponent c determines the evolution of the spacing between two successive arcs of the spiral in the radial direction.
  • the constant b determines a minimum radius below which no orifice is positioned.
  • the constant p is a phase shift resulting in an overall rotation of the distribution obtained.

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Abstract

Paroi d'injection (10) pour une chambre de combustion de moteur-fusée, la paroi étant munie d'une pluralité d'orifices d'injection (20), une majorité desdits orifices d'injection (20) étant disposée selon une répartition asymétrique et uniforme.

Description

Paroi d'injection pour une chambre de combustion de moteur-fusée
DOMAINE DE L'INVENTION
[0001] Le présent exposé concerne une paroi d'injection, particulièrement pour une chambre de combustion. Une telle paroi d'injection peut trouver son application dans le domaine des chambres de combustion pour moteurs aérospatiaux.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
[0002] On connaît, dans l'état de la technique, une paroi d'injection, par exemple sous forme de plaque ou de dôme, comprenant une pluralité d'orifices d'injection. Une telle plaque est généralement disposée en fond de chambre de combustion. Chacun de ces orifices d'injection reçoit un injecteur s'étendant perpendiculairement à la plaque d'injection et injectant un fluide, par exemple un combustible, ou un mélange de fluides, par exemple un combustible et un comburant, selon une direction d'injection perpendiculaire à la paroi d'injection.
[0003] Classiquement, les orifices d'injection sont répartis de manière régulière sur la paroi d'injection, selon des motifs ou réseaux présentant des symétries par rapport à certains plans et/ou des invariances par rotation.
[0004] Bien qu'une telle paroi d'injection apporte généralement satisfaction, il existe un besoin constant d'accroissement des performances de combustion, notamment dans le domaine des moteurs spatiaux.
PRÉSENTATION DE L'INVENTION
[0005] A cet égard, les inventeurs ont constaté qu'une partie de la perte de performance des chambres de combustion actuelles était due à une combustion hétérogène et sujette à des phénomènes d'instabilité à haute fréquence. De plus, les perturbations acoustiques qui résultent de ces phénomènes modulent le taux de dégagement de chaleur et induisent des oscillations de pression, lesquelles excitent les modes acoustiques qui peuvent provoquer des oscillations locales de la vitesse de combustion. Ces oscillations peuvent être suffisamment grandes pour générer des augmentations de flux de chaleur capables d'endommager des composants dans la chambre de combustion. Ainsi, le but de la présente invention est de remédier au moins substantiellement à ces inconvénients.
[0006] A cet effet, le présent exposé concerne une paroi d'injection pour une chambre de combustion de moteur-fusée, la paroi étant munie d'une pluralité d'orifices d'injection, une majorité desdits orifices d'injection étant disposée selon une répartition asymétrique et uniforme.
[0007] La paroi désigne une pièce généralement continue dont l'épaisseur est très petite par rapport aux dimensions de la paroi perpendiculairement à l'épaisseur. De manière non limitative, la paroi peut prendre la forme d'une plaque, d'un dôme ou d'un anneau. Une plaque est une pièce plane ou sensiblement plane s'étendant principalement selon un plan. Un dôme est une pièce présentant une courbure générale du centre du dôme vers sa périphérie. Un anneau est une pièce dessinant un contour fermé autour d'un axe. Un anneau peut être sensiblement cylindrique, à base quelconque, ou sensiblement tronconique. Tandis que la paroi d'un anneau s'étendant sensiblement longitudinalement par rapport audit axe, une plaque ou un dôme s'étend sensiblement transversalement par rapport à son axe.
[0008] Le caractère asymétrique et uniforme de la répartition de la majorité des orifices s'entend en abscisse curviligne en suivant la courbure éventuelle de la paroi.
[0009] La paroi d'injection possède les caractéristiques techniques qui la rendent adaptée à l'injection pour une chambre de combustion d'un moteur-fusée, compte tenu notamment des températures et des pressions qui y siègent. La chambre de combustion peut être, par exemple, la chambre de combustion principale d'un moteur-fusée ou la chambre de combustion d'un générateur à gaz, dans lesquelles les températures sont de l'ordre de respectivement 3600 K et 900 K (Kelvin).
[0010] Les orifices d'injection, plus simplement appelés orifices, sont configurés pour l'injection de fluide(s) dans la chambre de combustion. Ces orifices peuvent être configurés pour être positionnés en correspondance avec des injecteurs. En utilisation, de chaque orifice d'injection sort un jet d'injection, ou plus simplement jet, composé d'un ou plusieurs fluides. Un jet d'injection peut avoir une forme quelconque, par exemple cylindrique ou conique. En général, un jet d'injection peut avoir une forme à symétrie de révolution autour d'une direction d'injection.
[0011] La majorité des orifices d'injections désigne au moins la moitié des orifices d'injection. De préférence, tous les orifices d'injections sont disposés selon une répartition asymétrique et uniforme. Par la suite, sauf indication contraire explicite ou ressortant du contexte, un orifice d'injection désigne un orifice d'injection de ladite majorité.
[0012] Au sens du présent exposé, une répartition asymétrique ne possède pas d'axe ou de plan de symétrie, ni d'invariance par rotation ou translation. De préférence, dans une répartition asymétrique, il y a absence de courbe symétrique ayant des propriétés particulières. Par exemple, une disposition des orifices d'injection en couronnes successives et/ou en réseau avec répétition à l'identique d'un arc ou d'une maille n'est pas considérée, au sens du présent exposé, comme asymétrique.
[0013] Une répartition uniforme est une répartition sensiblement équirépartie des orifices d'injection. Par exemple, une répartition peut être considérée comme uniforme si une zone convexe de taille fixe de la plaque, choisie arbitrairement mais suffisamment grande pour être statistiquement représentative, a sensiblement la même densité d'orifices d'injection quelle que soit sa position sur la plaque. Selon un autre exemple, peut être considérée comme uniforme une répartition qui suit une loi de probabilité uniforme dans la zone de la paroi dans laquelle est disposée ladite majorité des orifices d'injection. Selon encore un autre exemple, peut être considérée comme uniforme une répartition telle que dans la zone de la paroi dans laquelle est disposée ladite majorité des orifices d'injection, la distance d'un orifice d'injection avec les orifices d'injections immédiatement voisins dans toutes les directions est comprise dans un intervalle prédéterminé, le rapport entre la borne supérieure de l'intervalle et la borne inférieure de l'intervalle étant inférieur ou égal à 10, de préférence à 5, de préférence encore à 3, de préférence encore à 2. Il peut exister encore d'autres répartitions uniformes des orifices d'injection de ladite majorité.
[0014] Grâce au fait qu'une majorité desdits orifices d'injection est disposée selon une répartition asymétrique et uniforme, contrairement aux idées reçues qui préconisaient jusqu'ici l'emploi de répartitions symétriques, la densité surfacique des débits d'injection est optimisée de façon à limiter les modes transversaux d'instabilité, et par suite réduire les oscillations et phénomènes d'instabilité de combustion à haute fréquence, tout en garantissant une combustion homogène dans l'ensemble de la chambre d'injection. Il s'ensuit une amélioration des performances de la chambre de combustion et un allongement de la durée de vie de la chambre à combustion.
[0015] Dans certains modes de réalisation, les orifices d'injection sont disposés le long d'une spirale, de préférence à intervalle angulaire régulier. De préférence encore, ledit intervalle angulaire peut n'avoir pas de multiple, exprimé en radians, divisible par 2π, de façon à éviter toute périodicité dans l'agencement tangentiel des orifices d'injection. Selon un exemple, la spirale peut passer par les centres desdits orifices d'injection. L'utilisation d'une spirale permet d'éviter facilement la présence, sur la paroi d'injection, d'un cercle sur lequel il n'y aurait aucun orifice d'injection. [0016] Dans certains modes de réalisation, la spirale est une d'équation polaire r = A9C + B. Une telle spirale est parfois appelée spirale archimédienne d'indice c et regroupe notamment les spirales paraboliques, spirales de Fermât, spirales d'Archimède, etc. Dans la formule qui précède, r est le rayon des coordonnées polaires, l'angle θ est l'azimut des coordonnées polaires, A, B et C sont des constantes. De préférence, C peut être compris entre 0.5 et 0.7.
[0017] Dans certains modes de réalisation, les coordonnées polaires du centre d'un orifice d'injection i peuvent être données par la suite :
b
Figure imgf000007_0001
où a, b, c, d, p sont des constantes. Ce système d'équations paramétriques suit la spirale précitée, d'équation polaire r = A6C + B, si a = A x dc, b=B, c=C et p=0.
[0018] Plus particulièrement, dans certains modes de réalisation, les coordonnées polaires des orifices d'injection sont données par la suite :
Figure imgf000007_0002
où i est un entier, indice de l'orifice considéré, r est une longueur de base et Φ = .
2
[0019] Ces coordonnées sont un cas particulier de spirale archimédienne d'indice c, dans laquelle, avec les notations précédentes, a = Tprif
(2π)ι' b=0 et c=0, d=— 2π et p r=0. Toutefois, ' chacune de ces constantes pourraient être fixée indépendamment des autres. Le nombre Φ = ^ est l'inverse du nombre d'or φ et vaut approximativement 0,618. La quantité θ1 = 2π Φ est égale environ à 3,883 radians, soit 137,5° (degrés), et les angles et sont des multiples de cet angle θ parfois appelé angle de divergence. Une telle valeur de l'angle de divergence et/ou de la puissance dans l'expression du rayon r permet d'obtenir une compacité maximale et une régularité optimale de la répartition des orifices d'injection.
[0020] Dans certains modes de réalisation, les orifices de ladite majorité sont des orifices cylindriques d'axe localement perpendiculaire à la paroi d'injection.
[0021] Dans certains modes de réalisation, la paroi est en outre munie d'un trou configuré pour recevoir un allumeur et les orifices sont placés à une distance de la périphérie dudit trou supérieure ou égale à une première distance prédéterminée, par exemple un dixième du rayon desdits orifices, voir une fois le rayon desdits orifices. La paroi peut comprendre un ou plusieurs tels trous. Un allumeur est un dispositif configuré pour fournir une énergie à un mélange de fluides afin d'en initier la réaction. Ladite distance peut être mesurée entre un bord du trou et un bord de l'orifice. Dans ces modes de réalisation, malgré la répartition uniforme des orifices d'injection, un espace minimum est laissé autour de l'allumeur pour satisfaire des critères de tenue mécanique. Alternativement, ledit trou peut être configuré pour recevoir un injecteur.
[0022] Dans certains modes de réalisation, les orifices sont placés à une distance du bord de la paroi d'injection supérieure ou égale à une deuxième distance prédéterminée, par exemple un dixième du rayon desdits orifices, de préférence entre une et cinq fois le rayon desdits orifices. Ladite distance peut être mesurée entre un bord externe ou périphérique de la paroi d'injection et un bord de l'orifice. Dans ces modes de réalisation, malgré la répartition uniforme des orifices d'injection, un espace minimum est laissé par rapport au bord de la paroi d'injection, pour éviter que la flamme de combustion, qui se fixe généralement sur les parois des injecteurs, ne crée de points chauds sur le pourtour de la chambre de combustion.
[0023] Dans certains modes de réalisation, les orifices les plus proches du bord de la paroi d'injection sont inclinés vers l'intérieur de la paroi d'injection. Cette caractéristique, alternativement ou en complément de la deuxième distance prédéterminée, vise également à éviter les points chauds sur le pourtour de la chambre de combustion.
[0024] Dans certains modes de réalisation, le rapport de la surface cumulée des orifices d'injection sur la surface totale de la paroi d'injection est compris entre 0,6 et 0,95, de préférence entre 0,8 et 0,95. La surface totale de la paroi d'injection prend en compte l'espace occupé par les orifices d'injection.
[0025] Dans certains modes de réalisation, la paroi d'injection comporte de 20 à 500 orifices d'injection, de préférence entre 50 et 250 orifices d'injection, de préférence entre 80 et 120 orifices d'injection.
[0026] Le présent exposé concerne également un système d'injection comprenant une paroi d'injection telle que précédemment décrite et une pluralité d'injecteurs respectivement montés en correspondance avec les orifices d'injection. Les injecteurs peuvent être distincts de la plaque d'injection ou former une seule pièce avec la paroi d'injection.
[0027] Un injecteur est dit monté en correspondance avec un orifice d'injection si l'injecteur est monté par rapport à l'orifice d'injection de sorte que l'injecteur injecte le ou les fluides à travers l'orifice d'injection. L'injecteur peut être inséré dans l'orifice d'injection ou placé en vis-à-vis de l'orifice d'injection, ou encore la sortie de l'injecteur peut être reliée à l'orifice d'injection au moyen d'une pièce intermédiaire.
[0028] Les injecteurs peuvent être des injecteurs simples (mono- ergols) ou multi-ergols, permettant d'injecter simultanément un ou plusieurs ergols, éventuellement coaxiaux, par exemple selon un écoulement purement axial ou tourbillonnant (« swirlé »).
[0029] Le présent exposé concerne également une chambre de combustion de moteur-fusée, comprenant une paroi d'injection telle que précédemment décrite ou un système d'injection tel que précédemment décrit.
[0030] Une chambre de combustion de moteur-fusée est telle qu'aussi bien le combustible que le comburant sont injectés dans la chambre de combustion via les orifices d'injection de la paroi d'injection. Compte tenu de son utilisation dans l'espace, une telle chambre ne comprend pas de trous de ventilation pour le passage d'air de refroidissement et/ou de dilution.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0031] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une chambre de combustion comprenant une paroi d'injection ;
- la figure 2 est une vue de dessus d'une paroi d'injection selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 3 illustre la répartition des orifices d'injection de la paroi d'injection selon le premier mode de réalisation ;
- la figure 4 illustre la répartition des orifices d'injection de la paroi d'injection selon un deuxième mode de réalisation.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
[0032] La figure 1 illustre schématiquement une plaque d'injection 10 selon un mode de réalisation, installée dans une chambre de combustion 12 partiellement représentée, par exemple une chambre de combustion principale de moteur-fusée. La paroi d'injection 10 forme, avec une pluralité d'injecteurs 14, un système d'injection pour l'injection de fluides, en l'occurrence du carburant et du comburant, par exemple un ergol oxydant et un ergol réducteur, dans la chambre de combustion 12. Comme indiqué précédemment, les injecteurs 14 sont montés en correspondance avec des orifices 20 de la plaque d'injection 10, de façon à permettre la circulation et l'injection de fluide par les injecteurs 14 à travers les orifices d'injections correspondants 20.
[0033] L'épaisseur de la paroi d'injection peut être de l'ordre de quelques millimètres, typiquement 1 à 20 millimètres. La paroi d'injection peut avoir une longueur allant de quelque 10 centimètres à plus d'un mètre, par exemple 1,5 mètre.
[0034] Les caractéristiques de la paroi d'injection sont détaillées sur la figure 2, qui est une vue de dessus de la paroi d'injection 10. En l'espèce, la paroi d'injection 10 est une plaque plane, ici de contour circulaire.
[0035] Comme indiqué précédemment, la paroi d'injection 10 est munie d'une pluralité d'orifices d'injection 20. Dans ce mode de réalisation, les orifices d'injection 20 sont cylindriques à base circulaire. Toutefois, d'autres formes sont possibles, par exemple des formes cylindriques à base non-circulaire ou tronconiques. Le diamètre des orifices d'injection est ici constant et peut mesurer entre 2 et 20 millimètres.
[0036] Une majorité desdits orifices d'injection 20 est disposée selon une répartition asymétrique et uniforme. En effet, comme on peut le voir sur la figure 2, à l'exception des effets de bord à proximité du centre O de la paroi d'injection 10 et du bord 18 en périphérie de la paroi d'injection 10, la densité d'orifices d'injection est sensiblement constante sur toute la zone dans laquelle se trouve la majorité des orifices d'injection 20, ici sur toute la paroi d'injection 10. Une telle répartition ne présente ni chevauchement des orifices entre eux, ni lacune d'orifices. Par ailleurs, dans le plan dans lequel s'étend la paroi d'injection 10, en l'occurrence perpendiculairement à son axe Z, la paroi d'injection 10 ne comporte aucun élément de symétrie ni d'invariance par rotation ou translation. [0037] De plus, dans ce mode de réalisation, la paroi d'injection 10 est munie d'un trou 16 configuré pour recevoir un allumeur. En l'occurrence, le trou 16 est prévu au centre de la paroi d'injection 10. Le trou 16 peut présenter un diamètre supérieur à celui des orifices d'injection 20. Les orifices d'injection 20, qu'ils appartiennent ou non à la majorité d'orifices disposés selon une répartition uniforme et asymétrique, sont ici placés au moins à une première distance prédéterminée dl de la périphérie dudit trou 16. La distance dl peut être supérieure ou égale à un rayon desdits orifices, comme c'est le cas sur la figure 2. L'allumeur destiné à se loger dans le trou 16 est ainsi préservé des flammes de combustion.
[0038] Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, les orifices d'injection 20, qu'ils appartiennent ou non à la majorité d'orifices disposés selon une répartition uniforme et asymétrique, sont placés au moins à une deuxième distance prédéterminée d2 du bord 18 de la paroi d'injection 10. Le bord 18 de la plaque d'injection 10 est sa périphérie externe, configurée pour être au voisinage et/ou au contact d'une paroi externe de la chambre de combustion 12. Ainsi, le bord 18 ne comprend pas le pourtour du trou 16. La deuxième distance prédéterminée d2 peut être dimensionnée pour tenir les charges thermomécaniques et assurer la compatibilité thermochimique de la paroi de chambre de l'organe de combustion. Selon un exemple, la deuxième distance prédéterminée d2 peut être supérieure ou égale à un rayon des orifices d'injection.
[0039] En outre, pour protéger encore davantage la paroi externe de la chambre de combustion 12 des points chauds, dans ce mode de réalisation, les orifices d'injection 20' les plus proches du bord 18 de la paroi d'injection 10 peuvent être inclinés vers l'intérieur de la paroi d'injection 10. Une direction dirigée vers l'intérieur de la paroi d'injection 10 désigne toute direction telle qu'en projection sur la paroi d'injection 10, la longueur entre l'orifice d'injection 20' considéré et le bord 18 de la paroi 10 le plus proche selon ladite direction est supérieure ou égale à la longueur entre l'orifice d'injection 20' et le bord 18 de la paroi le plus proche selon une direction opposée à ladite direction. Selon un exemple, les orifices d'injection 20' les plus proches du bord 18 de la paroi d'injection 10 peuvent être inclinés radialement vers un axe central normal à la paroi d'injection 10, ici l'axe Z, tous lesdits orifices d'injection 20' étant inclinés vers le même côté de la paroi d'injection 10, en l'occurrence le foyer de combustion de la chambre de combustion 12. L'inclinaison de l'orifice d'injection 20' vers l'intérieur, et, en l'occurrence, de l'injecteur 14' associé, est représentée sur la figure 1. Selon un exemple, l'inclinaison de l'axe de l'orifice d'injection 20 par rapport à une normale locale à la paroi d'injection 10 peut être comprise entre 0° et 10°, de préférence entre 1° et 7°.
[0040] Comme on le voit par ailleurs sur la figure 1, à l'exception des orifices 20' les plus proches du bord 18 de la paroi d'injection 10, les orifices d'injection 20 sont des orifices d'axe localement perpendiculaire à la paroi d'injection 10. les injecteurs 14 peuvent être respectivement engagés dans les orifices d'injection 20, chaque injecteur 14 s'étendant alors localement perpendiculairement à la paroi d'injection 10.
[0041] La figure 3 présente la répartition des orifices d'injection utilisée pour la paroi d'injection 10 selon le premier mode de réalisation.
[0042] Dans ce mode de réalisation, les orifices d'injection sont disposés le long d'une spirale SI. La spirale SI peut avoir pour centre le centre O de la paroi d'injection 10. Chaque orifice d'injection i, i étant un entier naturel, est repéré par ses coordonnées polaires ( , θ ), qui sont, plus précisément dans le présent mode de réalisation, les coordonnées polaires de son centre. Lorsque la paroi d'injection 10 n'est pas plane, les coordonnées polaires peuvent être des coordonnées en projection sur un plan ou des coordonnées curvilignes qui suivent la courbure de la paroi d'injection. [0043] L'équation polaire de la spirale SI est de la forme : r = Αθ€ + B, avec A, B, C des constantes. Dans ce mode de réalisation,
A = ri _ , B=0, et C = Φ = ^zl. r étant dans l'unité de longueur de r et Θ en radians.
[0044] Il reste ensuite à déterminer où, sur la spirale SI, sont placés les orifices d'injection. Ceci peut être fait, de manière univoque, en déterminant l'intervalle angulaire entre deux orifices successifs sur la spirale. Dans cet exemple, les orifices d'injection sont placés à intervalle angulaire régulier le long de la spirale SI. Cela signifie que la suite des angles ( ) est une suite arithmétique dont la raison est ledit intervalle angulaire, et le rayon est alors déterminé du fait de l'équation de la spirale SI.
[0045] Ainsi, dans ce mode de réalisation, les coordonnées polaires du centre d'un orifice d'injection i sont données par la suite :
ri = r1 x ίφ
0É = 2π x x i
[0046] Comme il ressort de ces expressions, la suite des angles ( ) est une suite arithmétique de raison, ou angle de divergence, θχ = 2π x Φ.
[0047] La figure 4 présente une répartition des orifices d'injection de la paroi d'injection selon un deuxième mode de réalisation. Sur cette figure, les éléments correspondant ou identiques à ceux du premier mode de réalisation recevront le même signe de référence et ne seront pas décrits à nouveau.
[0048] Dans ce mode de réalisation, les orifices d'injections sont également disposés le long d'une spirale S2 dont l'équation polaire est de la forme : r = A6C + B, avec A, B, C des constantes. Dans ce mode de réalisation, A = l, B=0, C = 1/2. Ainsi, l'équation de la spirale S2 est, plus simplement, r = Vë. Il s'agit d'une spirale dite parabolique (de la forme (R - R)2 = αζθ) et plus particulièrement d'une spirale de Fermât (de la forme r2 = α2θ).
[0049] Dans ce mode de réalisation aussi, on choisit de placer les orifices d'injection, ou plus précisément leurs centres respectifs, à intervalle angulaire régulier le long de la spirale S2. Toutefois, il pourrait en être autrement tant que cela conduit à une répartition uniforme et asymétrique des orifices d'injection dans la paroi d'injection 10.
[0050] Dans ce mode de réalisation, l'angle de divergence est également choisi égal à θ1 = 2π χ φ. Ainsi, au vu de ce qui précède, dans ce mode de réalisation, les coordonnées polaires du centre d'un orifice d'injection i sont données par la suite : θι = 2π x Φ x i
[0051] Plus généralement, les coordonnées polaires du centre d'un orifice d'injection i peuvent être données par la suite :
= a x i + b
θι = di + p
Les constantes a et d sont des facteurs multiplicatifs permettant le positionnement de chaque orifice d'injection par rapport au premier orifice de la suite, ainsi que l'écart inter-orifice. Ces constantes peuvent être choisies de manière à assurer un écart inter-orifices minimum et à garantir l'absence de chevauchement des orifices. L'exposant c détermine évolution de l'espacement entre deux arcs successifs de la spirale dans la direction radiale. La constante b détermine un rayon minimal en-deçà duquel aucun orifice n'est positionné. La constante p est un déphasage entraînant une rotation globale de la répartition obtenue.
[0052] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, des modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Paroi d'injection (10) pour une chambre de combustion (12) de moteur-fusée, la paroi étant munie d'une pluralité d'orifices d'injection (20), une majorité desdits orifices d'injection (20) étant disposée selon une répartition asymétrique et uniforme.
2. Paroi d'injection (10) selon la revendication 1, dans laquelle les orifices d'injection (20) sont disposés le long d'une spirale, de préférence à intervalle angulaire régulier.
3. Paroi d'injection (10) selon la revendication 2, dans laquelle la spirale est une spirale (SI, S2) d'équation polaire r = A6C + B, avec A, B, C des constantes.
4. Paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les coordonnées polaires des orifices d'injection (20) sont données par la suite :
= rx x ίφ
2π Φ
où i est un entier, indice de l'orifice considéré, rx est une longueur de base et > = ¾ 2
5. Paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les orifices d'injection (20) sont des orifices cylindriques d'axe localement perpendiculaire à la paroi d'injection.
6. Paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, la paroi (10) étant en outre munie d'au moins un trou (16) configuré pour recevoir un allumeur, les orifices d'injection (20) étant placés à une distance (dl) de la périphérie dudit trou (16) supérieure ou égale à un dixième du rayon desdits orifices (20).
7. Paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les orifices d'injection (20) sont placés à une distance (d2) du bord (18) de la paroi d'injection (10) supérieure ou égale à un dixième du rayon desdits orifices (20).
8. Paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les orifices d'injection (20) les plus proches du bord (18) de la paroi d'injection (10) sont inclinés vers l'intérieur de la paroi d'injection (10).
9. Système d'injection comprenant une paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et une pluralité d'injecteurs (14) respectivement montés en correspondance avec les orifices d'injection.
10. Chambre de combustion (12) de moteur-fusée, comprenant une paroi d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou un système d'injection selon la revendication 9.
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