FR2975442A1 - Element d'injection calibrable - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne le domaine des éléments d'injection d'ergols, et en particulier un élément d'injection (201,301,401) d'au moins un premier ergol (E1) dans une chambre de combustion, comprenant au moins un premier conduit (204,304,404) pour l'injection du premier ergol (E1). L'élément d'injection (201,301,401) comporte en outre un corps (212,312,412), poreux et perméable, reçu dans le premier conduit (204,304,404). L'invention concerne aussi un injecteur comportant au moins un tel élément d'injection (201,301,401), une chambre de combustion (4,6) avec un tel injecteur et un moteur-fusée (1) avec une telle chambre de combustion (4,6), ainsi qu'un procédé de calibration d'un débit d'injection d'un premier ergol (E1) dans une chambre de combustion à travers un premier conduit (204,304,404) d'un élément d'injection (201,301,401), dans lequel un corps (212,312,412), poreux et perméable, est reçu dans le premier conduit (204,304,404) pour ajuster le débit d'injection.

Description

La présente invention concerne un élément d'injection d'au moins un premier ergol dans une chambre de combustion, plus particulièrement conçu pour un moteur fusée avec au moins une chambre de combustion du type comprenant un injecteur regroupant un ou une pluralité de tels éléments d'injection. L'invention concerne plus particulièrement un perfectionnement apporté à un tel élément d'injection pour faciliter le calibrage du débit d'injection du premier ergol. Dans le présent contexte les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols.
Le document de brevet FR 2 712 030 Al décrit un injecteur de deux ergols dans une chambre de combustion de moteur fusée comprenant une structure d'alimentation où les deux ergols alimentent une pluralité d'éléments d'injection agencés parallèlement les uns aux autres, dans une configuration axisymétrique sur la surface d'une structure dite « plaque d'injection », circulaire, faisant partie de l'injecteur. Une telle plaque d'injection peut ainsi être associée à un assez grand nombre d'éléments d'injection, par exemple jusqu'à une centaine ou plus, conjuguant leur débit unitaire pour fournir le débit global du moteur.
Dans cet injecteur de l'état de la technique, chaque élément d'injection comprend un premier conduit pour l'injection du premier ergol. Afin de pouvoir ajuster le débit injecté à travers ce premier conduit, il est connecté au circuit d'alimentation du premier ergol par des trous calibrés.
Ceci présente toutefois l'inconvénient de nécessiter une grande précision dans l'usinage de ces trous calibrés. Cette précision rend coûteuse et longue la fabrication des éléments d'injection. En outre, pour recalibrer le débit injecté à travers le premier conduit, il est nécessaire de remplacer la pièce, typiquement coûteuse, dans laquelle ces trous calibrés sont usinés, ce qui rend un tel recalibrage du débit également coûteux et laborieux. Par ailleurs, si l'allocation de perte de charge sur la pression du premier ergol est trop faible, on encourt un risque d'instabilité de l'écoulement dans l'écoulement de l'ergol en cas de couplage avec des fluctuations de pression dans la chambre de combustion.35
La présente invention vise à remédier ces inconvénients. Selon un premier aspect, ce but est atteint grâce au fait que l'élément d'injection comporte en outre un corps poreux et perméable reçu dans le premier conduit. Des corps poreux et perméables présentant des résistances précises et différentes à l'écoulement du premier ergol peuvent être produits, par exemple, par frittage, sans recours à des moyens d'usinage de précision. Le débit du premier ergol à travers le premier conduit peut donc être facilement calibré et recalibré par remplacement du corps poreux.
Selon un deuxième aspect, l'élément d'injection comporte en outre un manchon démontable formant une paroi extérieure du premier conduit. De cette manière, un utilisateur peut plus facilement accéder au corps poreux et le remplacer lors d'un recalibrage de l'élément d'injection.
Selon un troisième aspect, le premier conduit présente une section annulaire, ce qui contribue à la pulvérisation du premier ergol et facilite le positionnement du corps poreux. En outre, une telle section annulaire permet l'intégration d'autres conduits concentriques, par exemple pour l'injection d'autres ergols, ainsi que l'intégration d'au moins un corps central, lequel pourrait contenir, par exemple, un dispositif d'allumage et/ou d'amortissement acoustique.
Selon un quatrième aspect, l'élément d'injection comporte en outre un deuxième conduit, coaxial et intérieurement adjacent au premier conduit, et apte à injecter un deuxième ergol dans la chambre de combustion. Ainsi, les ergols étant injectés dans la chambre de combustion à travers des conduits coaxiaux, les turbulences provoquées dans les couches limites entre les débits concentriques et adjacents peuvent assurer un mélange homogène des deux ergols par cisaillement dans leur écoulement. En particulier, le deuxième conduit peut présenter aussi une section annulaire, ce qui facilite le redimensionnement de l'élément d'injection pour des différents débits globaux, et permet aussi d'y intégrer au moins un corps central, lequel pourrait contenir, par exemple, un dispositif d'allumage et/ou d'amortissement acoustique.
Selon un cinquième aspect, l'élément d'injection comprend un troisième conduit, coaxial et intérieurement adjacent au deuxième conduit, et apte à injecter le premier ergol dans la chambre de combustion, ce qui permet un mélange encore plus homogène des deux ergols par cisaillement dans leur écoulement. En particulier, le troisième conduit peut présenter aussi une section annulaire, ce qui facilite aussi le redimensionnement de l'élément d'injection pour des différents débits globaux, et permet aussi d'y intégrer au moins un corps central, lequel pourrait contenir, par exemple, un dispositif d'allumage et/ou d'amortissement acoustique.
La présente invention concerne également un injecteur comportant un ou plusieurs éléments d'injection, une chambre de combustion comportant un tel injecteur, et un moteur fusée comportant une telle chambre de combustion.
La présente invention concerne également un procédé de calibration d'un débit d'injection d'un premier ergol dans une chambre de combustion à travers un premier conduit d'un élément d'injection. Dans au moins un mode de réalisation, un corps poreux et perméable est reçu dans le premier conduit pour ajuster le débit d'injection.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de trois modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur-fusée à deux ergols liquides ; la figure 2 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un premier mode de réalisation ; la figure 3 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un deuxième mode de réalisation ; la figure 4 est une coupe longitudinale d'un élément d'injection suivant un troisième mode de réalisation.35
Un moteur fusée 1 à ergols liquides, en particulier à ergols liquides cryogéniques, est illustré schématiquement sur la figure 1. Ce moteur fusée 1 comporte un réservoir 2 pour le premier ergol El, un réservoir 3 pour le deuxième ergol E2, un générateur de gaz 4 alimenté par les premier et deuxième ergols El, E2, une turbopompe 5 actionné par les gaz de combustion provenant du générateur de gaz 4, une chambre de combustion principale 6 alimentée en ergols par la turbopompe 5, et une tuyère convergente-divergente 7 pour l'éjection propulsive des gaz de combustion générés dans la chambre de combustion principale 6.
Afin d'obtenir une combustion efficace tant dans le générateur de gaz 4 que dans la chambre de combustion principale 6, ces composants comportent des organes d'injection des ergols permettant d'obtenir un mélange et une distribution homogènes des ergols. Typiquement, ces organes d'injection prennent la forme d'injecteurs comprenant une plaque d'injection dans laquelle sont distribués plusieurs éléments d'injection des ergols selon une configuration axi-symétrique.
Sur la figure 2, on a représenté un élément d'injection 201 à structure tri-coaxiale pour l'injection et le mélange de deux ergols El, E2. L'élément d'injection 201 présente un axe central X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols El, E2, et comporte un élément central 202 et un manchon démontable 203 vissé autour de l'élément central 202. Un premier conduit 204, à section annulaire, est formé entre l'élément central 202 et le manchon démontable 203. Quand l'élément d'injection 201 est intégré dans un injecteur d'un moteur fusée tel que celui illustré sur la figure 1, ce premier conduit 204 peut être mis en communication avec le circuit d'alimentation du premier ergol El à travers des ouvertures radiales 213 dans le manchon démontable 203.
Un deuxième conduit 205 et un troisième conduit 206 sont formés dans l'élément central 204. Ces deuxième et troisième conduits 205, 206 sont aussi annulaires, et ils sont arrangés concentriquement, de manière à être coaxiaux avec le premier conduit 204. Ainsi, le deuxième conduit 205 est intérieurement adjacent au premier conduit 204, et le troisième conduit 206 est intérieurement adjacent au deuxième conduit 205. Des
parois tubulaires 207 et 208 formées dans l'élément central 202 séparent, respectivement, le premier conduit 204 du deuxième conduit 205, et le deuxième conduit 205 du troisième conduit 206. Les parois 207 et 208 présentent un retrait axial RE par rapport au bord aval du manchon démontable 203. Le troisième conduit 206 entoure un corps central 209, lequel pourrait éventuellement recevoir, par exemple, une cavité d'amortissement acoustique et/ou un dispositif d'allumage. A l'extrémité opposée des deuxième et troisième conduits 205, 206 en direction axiale, l'élément central 202 comporte aussi un perçage central 210, en communication avec le deuxième conduit 205. Ce perçage central 210 est apte à être mis en communication avec le circuit d'alimentation du deuxième ergol E2. L'élément central 204 comporte aussi des perçages obliques 211, en communication avec le troisième conduit 206 et aptes à être mis en communication, comme le premier conduit 204, avec le circuit d'alimentation du premier ergol El.
Un corps 212, poreux et perméable, est reçu dans le premier conduit 204, entre le manchon démontable 203 et l'élément central 202, pour freiner l'écoulement du premier ergol El dans le premier conduit 204 et permettre ainsi le calibrage du débit de ce premier ergol El. Ce corps 212 peut être en matériau fritté, commercialisé par exemple sous les marques Rigimesh® ou Siperm®. Le matériau du corps 212 peut être sélectionné pour être compatible avec le premier ergol El, en particulier en tenant compte de la grande surface de réaction potentiellement présentée par le corps 212 au premier ergol El. En particulier si le premier ergol El est oxydant, le matériau du corps 212 peut être un matériau résistant à l'oxydation, tels que, par exemple, l'acier inoxydable AISI 316. Par contre, si ce premier ergol El est réducteur, d'autres matériaux présentant d'autres propriétés plus avantageuses pour cette application peuvent être utilisés, comme par exemple le cuivre.
En fonctionnement, le premier ergol El est injecté dans la chambre de combustion à travers les premier et troisième conduits 204, 206, tandis que le deuxième ergol E2 est injecté à travers le deuxième conduit 205. Le premier et le deuxième ergols El, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, les
cisaillements à l'intérieur et à l'extérieur du flux annulaire du deuxième ergol E2 dans le retrait RE produisent des turbulences dans les flux des deux ergols E1,E2 assurant un mélange homogène des deux ergols E1, E2. En outre, comme les trois conduits 204, 205 et 206 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis.
Afin d'obtenir une combustion optimale, il est souvent nécessaire d'ajuster les débits des ergols El, E2, et en particulier le rapport entre le débit du premier ergol E1 et le débit du deuxième ergol E2. Pour cela, le manchon 203 peut être dévissé, et le corps 212 remplacé par un autre corps poreux et perméable, présentant une résistance différente à l'écoulement du premier ergol E1, afin de modifier le débit de ce premier ergol E1 injecté à travers le premier conduit 204. Non seulement la porosité, mais aussi la longueur du corps 212 peut être adaptée pour cela, en modifiant la distance de vissage du manchon 203 sur l'élément central 212.
Bien que ce premier mode de réalisation ait rapport à un élément d'injection de type tri-coaxial avec un corps central, le concept de l'invention peut aussi être appliqué à d'autres types d'éléments d'injection. Ainsi, dans un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 3, l'élément d'injection 301 est un élément d'injection de type coaxial simple, avec uniquement un premier conduit 304, pour l'injection du premier ergol E1, et un deuxième conduit 305, pour l'injection du deuxième ergol E2. Comme dans le premier mode de réalisation, l'élément d'injection 301 présente un axe central X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols E1, E2, et comporte un élément central 302 et un manchon démontable 303 vissé autour de l'élément central 302. Un premier conduit 304, à section annulaire, est formé entre l'élément central 302 et le manchon démontable 303. Tout comme dans le premier mode de réalisation, quand l'élément d'injection 301 est intégré dans un injecteur d'un moteur fusée tel que celui illustré sur la figure 1, ce premier conduit 304 peut être mis en communication avec le circuit d'alimentation du premier ergol E1 à travers des ouvertures radiales 305 dans le manchon démontable 303, et un corps 312, poreux et perméable, est reçu dans le
premier conduit 304, entre le manchon démontable 303 et l'élément central 302, pour freiner l'écoulement de ce premier ergol El. Tout comme dans le premier mode de réalisation, le corps 312 poreux et perméable peut être produit par frittage.
Cependant, dans ce deuxième mode de réalisation, l'élément central 302 ne comporte qu'un seul conduit 305, pour l'injection du deuxième ergol E2. Ce deuxième conduit 305 est coaxial par rapport au premier conduit 304, intérieurement adjacent à ce premier conduit 304, et séparé de celui-ci par une paroi tubulaire 307 formée dans l'élément central 302. Le bord aval de cette paroi 307 présente aussi un retrait RE par rapport au bord aval du manchon 303.
Ainsi, en fonctionnement, le premier ergol El est injecté dans la chambre de combustion à travers le premier conduit 304, tandis que le deuxième ergol E2 est injecté à travers le deuxième conduit 305. Les premier et deuxième ergols El, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 301, le cisaillement entre les écoulements des deux ergols El, E2 dans le retrait RE, produisent des turbulences assurant un mélange homogène des deux ergols El, E2.
Tout comme dans le premier mode de réalisation, le manchon 303 peut être dévissé, et le corps 312 remplacé par un autre corps poreux et perméable, présentant une résistance différente à l'écoulement du premier ergol El, afin de modifier le débit de ce premier ergol E1 injecté à travers le premier conduit 304.
Le même concept peut même être appliqué à un élément d'injection d'un seul ergol El, comme dans le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 4. Dans ce mode de réalisation, l'élément d'injection 401 comporte un seul conduit 404, tubulaire et traversant tant le manchon démontable 403 que l'élément central 402 sur lequel il est vissé. Un corps 412, poreux et perméable, est reçu dans le conduit 404, et bloqué entre le manchon 403 et l'élément central 402, pour freiner l'écoulement de l'ergol El dans le conduit 404. Le corps 412 peut aussi être produit par frittage.
Tout comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, le manchon 403 peut être dévissé, et le corps 412 remplacé par un autre corps poreux et perméable, présentant une résistance différente à l'écoulement du premier ergol E1, afin de modifier le débit de ce premier ergol El injecté à travers le premier conduit 404.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur 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 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.15

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Elément d'injection (201,301,401) d'au moins un premier ergol (El) dans une chambre de combustion, comprenant au moins un premier conduit (204,304,404) pour l'injection du premier ergol (El), caractérisé en ce que l'élément d'injection (201,301,401) comporte en outre un corps (212,312,412), poreux et perméable, reçu dans le premier conduit (204,304,404).
  2. 2. Elément d'injection (201,301,401) suivant la revendication 1, comportant un manchon démontable (203,303,403) formant une paroi extérieure du premier conduit (204,304,404).
  3. 3. Elément d'injection (201,301) suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier conduit (204,304) présente une section annulaire.
  4. 4. Elément d'injection (201,301) suivant la revendication 3, comportant en outre un deuxième conduit (205,305), coaxial et intérieurement adjacent par rapport au premier conduit (204,304), et apte à injecter un deuxième ergol (E2) dans la chambre de combustion.
  5. 5. Elément d'injection (201,301) suivant la revendication 4, dans lequel le deuxième conduit (205,305) présente aussi une section annulaire.
  6. 6. Elément d'injection (201) suivant la revendication 5, comprenant un troisième conduit (206), coaxial et intérieurement adjacent par rapport au deuxième conduit (205), et apte à injecter le premier ergol (El) dans la chambre de combustion.
  7. 7. Elément d'injection (201) suivant la revendication 6, dans lequel le troisième conduit (206) présente aussi une section annulaire.
  8. 8. Injecteur comportant un ou plusieurs éléments d'injection (201,301,401) suivant une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. 9. Chambre de combustion (4,6) comportant au moins un injecteur suivant la revendication 8.
  10. 10. Procédé de calibration d'un débit d'injection d'un premier ergol (El) dans une chambre de combustion à travers un premier conduit (204,304,404) d'un élément d'injection (201,301,401), caractérisé en ce qu'un corps (212,312,412), poreux et perméable, est reçu dans le premier conduit (204,304,404) pour ajuster le débit d'injection.
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