FR2998333A1 - Element d'injection - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne le domaine des injecteurs, et en particulier un élément d'injection (201) d'un mélange d'au moins un premier ergol (E1) et un deuxième ergol (E2) dans une chambre de combustion (6), comprenant au moins un premier canal (204) pour l'injection du premier ergol (E1), et au moins un deuxième canal (205) pour l'injection du deuxième ergol (E2). Le deuxième canal (205) est un canal hélicoïdal suivant une hélice (205a) centrée sur un axe central (X) de l'élément d'injection (201). Un pourtour entier d'une section du deuxième canal (205) dans au moins un plan perpendiculaire à l'axe central (X) du premier canal (204) est formé dans une seule pièce monobloc.
Description
Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des injecteurs, et en particulier des éléments d'injection d'un mélange d'au moins deux ergols 5 dans une chambre de combustion, comme par exemple une chambre de combustion d'un moteur fusée. 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 10 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 15 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 canal pour l'injection du premier ergol, et un deuxième canal pour l'injection du deuxième ergol, le deuxième canal étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier canal. 20 Dans le présent contexte on entend par « canal annulaire » un canal dont une coupe radiale fait apparaître une section débitante annulaire, tandis que par « canal tubulaire » on entend un canal à section pleine. En outre, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols. 25 Ainsi, les ergols étant injectés dans la chambre de combustion à travers des canaux coaxiaux des éléments d'injection de l'injecteur de FR 2 712 030 Al, 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. 30 Toutefois, à partir de ce concept de base, on rencontre des difficultés à faire évoluer les paramètres géométriques pour augmenter la puissance individuelle dudit élément d'injection sans dégrader la qualité de l'injection et de la combustion. Avec des débits plus importants, le mélange devient moins homogène et la qualité de la combustion se dégrade. 35 Un moyen qui a été proposé pour améliorer la qualité du mélange est celui d'introduire un mouvement tournoyant dans au moins un des ergols. Pour cela, dans l'élément d'injection divulgué par exemple dans la demande de brevet européen EP 0 344 463 Al, une plaque torsadée est utilisée pour générer ce mouvement tournoyant dans l'un des ergols. Dans une autre solution, divulguée dans la demande de brevet européen EP 1 873 390 A2, l'élément d'injection comprend des canaux hélicoïdaux pour l'injection d'un des ergols. Toutefois, pour former ces canaux hélicoïdaux, deux pièces séparées sont assemblées : une pièce tubulaire et une barre avec un filetage hélicoïdal sur sa surface extérieure. Ceci fragilise l'ensemble, introduit des problèmes d'étanchéité entre canaux hélicoïdaux adjacents et limite la liberté de configuration des canaux hélicoïdaux. Objet et résumé de l'invention La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
L'invention vise à proposer un élément d'injection d'un mélange d'au moins un premier ergol et un deuxième ergol dans une chambre de combustion, comprenant au moins un premier canal pour l'injection du premier ergol, et au moins un deuxième canal pour l'injection du deuxième ergol, ledit deuxième canal étant un canal hélicoïdal suivant une hélice centrée sur un axe central de l'élément d'injection, et qui permette notamment l'optimisation de l'au moins un canal hélicoïdal pour obtenir un mélange plus homogène, sans diminuer la fiabilité et solidité de l'élément d'injection. Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que le pourtour entier d'une section dudit canal hélicoïdal dans au moins un plan perpendiculaire à l'axe central du premier conduit est formé dans une seule pièce monobloc. Grâce à ces dispositions, il est possible d'optimiser la section du canal hélicoïdal pour obtenir un meilleur mélange et une moindre perte de charge. En outre, l'élément d'injection peut ainsi être plus robuste. Afin de faciliter le mélange, en séparant les lignes de courant du deuxième ergol, l'élément d'injection peut comprendre une pluralité de canaux hélicoïdaux pour l'injection du deuxième ergol, suivant chacun une hélice centrée sur l'axe central.
Le mélange peut être facilité encore plus si une intersection d'au moins une desdites hélices avec un plan perpendiculaire audit axe central est plus proche de l'axe central qu'une intersection d'au moins une autre desdites hélices. On obtient ainsi des canaux hélicoïdaux concentriques favorisant un meilleur brassage des ergols. L'hélice de chaque canal hélicoïdal peut être une hélice circulaire, c'est-à-dire incluse dans un cylindre, mais alternativement elle peut aussi être une hélice conique. En particulier quand l'élément comprend une pluralité de canaux hélicoïdaux, des telles hélices coniques permettent d'obtenir une convergence des canaux favorisant un meilleur brassage des ergols. D'autres hélices que les hélices circulaires ou coniques peuvent toutefois être aussi envisagées suivant les besoins. Aussi afin d'améliorer le brassage des ergols en aval de l'élément d'injection, ledit canal hélicoïdal peut présenter une section non-circulaire torsadée autour de l'hélice. Il est ainsi possible d'obtenir une torsion des lignes de courant dans chaque canal hélicoïdal, facilitant le mélange des ergols en aval. Ledit canal hélicoïdal peut être arrangé intérieurement par rapport au premier canal, en particulier quand ce dernier est annulaire. Alternativement, toutefois, ledit canal hélicoïdal peut être arrangé extérieurement au premier canal. Il faut également noter que le premier canal peut éventuellement être aussi hélicoïdal, avec par exemple une hélice tournant en sens opposé à celle du deuxième canal. Dans ce cas, il faut bien sûr entendre comme axe central l'axe de l'hélice du premier canal.
Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un moteur-fusée à ergols liquides ; la figure 2A est un écorché latéral d'un élément d'injection suivant un premier mode de réalisation ; - la figure 2B est une coupe transversale de l'élément d'injection de la figure 2A suivant la ligne IIB-IIB ; - la figure 3A est un écorché latéral d'un élément d'injection suivant un deuxième mode de réalisation ; la figure 3B est une coupe longitudinale de l'élément d'injection de la figure 3A suivant la ligne IIIB-IIIB ; la figure 4A est un écorché latéral d'un élément d'injection suivant un troisième mode de réalisation ; - la figure 4B est une coupe transversale de l'élément d'injection de la figure 4A suivant la ligne IVB-IVB ; la figure 5A est une vue latérale d'un élément d'injection suivant un quatrième mode de réalisation ; la figure 5B est une vue frontale de l'élément d'injection de la figure 5A suivant la ligne VB-VB ; la figure 6A est une vue latérale d'un élément d'injection suivant un cinquième mode de réalisation ; la figure 6B est une vue schématique des canaux hélicoïdaux de l'élément d'injection de la figure 6A; la figure 7A une vue schématique latérale d'un canal hélicoïdal suivant une variante de l'invention ; et la figure 7B est une coupe transversale du canal de la figure 7A dans le plan VIC. Description détaillée de l'invention 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, un réservoir 3 pour le deuxième ergol, un générateur de gaz 4 alimenté par les premier et deuxième ergols, 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 deux ergols. Sur les figures 2A et 2B est représenté un élément d'injection 201 à 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.
L'élément d'injection 201 comprend une paroi tubulaire 202 concentrique autour d'un corps central 203 de manière à former un premier canal annulaire 204 autour de l'axe central X. Dans le mode de réalisation illustré, la paroi tubulaire 202 et le corps central 203 sont intégrés dans un seul corps uni en amont.
Le corps central 203, qui est formé par une seul pièce monobloc, comprend quatre canaux hélicoïdaux 205 formés dans la masse. Chacun de ces quatre canaux hélicoïdaux 205 suit une hélice circulaire 205a centrée sur l'axe central X. Le premier canal 204 est configuré pour l'injection du premier ergol E1, tandis que les canaux hélicoïdaux 205, situés à l'intérieur du diamètre interne du premier canal 204, sont configurés pour l'injection du deuxième ergol E2. Lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, alors que le premier ergol El est injecté suivant une direction axiale, les canaux hélicoïdaux 205 séparent les lignes d'écoulement du deuxième ergol E2 et lui impriment un mouvement tournoyant. L'inclinaison de l'écoulement du deuxième ergol E2 par rapport à celui du premier ergol El provoque un cisaillement entre les deux, produisant des turbulences assurant un mélange homogène des deux ergols El, E2 en aval de l'élément d'injection 201.
Bien que dans ce premier mode de réalisation les canaux hélicoïdaux 205 suivent des hélices circulaires, d'autres formes alternatives sont également envisageables. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré sur les figures 3A et 3B, dans lesquelles chaque élément reçoit le même chiffre de référence que l'élément équivalent dans le premier mode de réalisation, les canaux hélicoïdaux 205 pour le deuxième ergol E2 suivent des hélices coniques 205a convergeant sur l'axe central X en direction aval. On 2 99 8333 6 obtient ainsi, lors du fonctionnement de cet élément d'injection 201 un écoulement du deuxième ergol E2 non seulement tournoyant, mais aussi convergent. Cette convergence favorise aussi le brassage des deux ergols El, E2 en aval de l'élément d'injection 201. D'autres formes d'hélice sont 5 envisageables pour d'autres modes de réalisation. Il faut aussi comprendre, dans le présent contexte, le mot « hélice » dans un sens large, pouvant même englober une ligne présentant un angle variable par rapport à l'axe central X et donc un écart variable entre ses spires. Dans encore un autre mode de réalisation, illustré sur les figures 4A 10 et 4B, les canaux hélicoïdaux 205 pour l'injection du deuxième ergol E2 présentent des hélices 205a, 205b de différents diamètres. Ainsi, l'intersection de chacune des hélices 205a avec le plan IVA-IVA présente une distance rl par rapport à l'axe central X qui est moins importante que la distance r2 de l'intersection de chacune des hélices 205b avec le même 15 plan P. On peut ainsi injecter le deuxième ergol E2 par plusieurs couronnes concentriques 210 de canaux hélicoïdaux 205, permettant ainsi une meilleure adaptation à un débit souhaité du deuxième ergol E2. Le reste des éléments de l'élément d'injection 201 illustré sure les figures 4A et 4B reçoit les mêmes chiffres de référence que les éléments 20 correspondants dans les figures précédentes. Bien que dans chacun des modes de réalisation précédents les canaux hélicoïdaux 205 d'injection du deuxième ergol E2 soient arrangés dans un corps central 203 intérieur au canal 204 d'injection du premier ergol El, cet arrangement peut aussi être inversé, comme dans le mode 25 de réalisation illustré sur les figures 5A et 5B. Dans cet élément d'injection 201, le premier canal 204, servant à injecter le premier ergol El, est un canal tubulaire au centre de l'élément d'injection 201, tandis que les canaux hélicoïdaux 205, servant à l'injection du deuxième ergol E2, sont arrangés autour de ce premier canal 204. 30 Bien que dans chacun des modes de réalisation précédents des canaux hélicoïdaux ne soient utilisés que pour l'injection d'un seul des ergols, l'autre étant injecté par un canal tubulaire ou annulaire mais droit, l'usage de canaux hélicoïdaux pour l'injection de plus d'un ergol est également envisageable. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré sur les 35 figures 6A et 6B, l'élément d'injection comprend un premier ensemble de canaux hélicoïdaux 204 pour l'injection du premier ergol El, arrangés autour d'un deuxième ensemble de canaux hélicoïdaux 205 pour l'injection du deuxième ergol E2. Dans ce mode de réalisation, les hélices 204a des canaux 204 et les hélices 205a des canaux 205 tournent en sens opposés autour du même axe central X. Dans un mode de réalisation alternatif, toutefois, elles pourraient tourner dans le même sens, avec le même angle d'inclinaison ou avec des angles différents. Dans chacun des modes de réalisation précédents, les canaux hélicoïdaux sont formés dans une pièce monobloc, ce qui permet notamment de leur donner une section particulière. Par exemple, comme illustré sur les figures 7A et 7B, chaque canal hélicoïdal 205 peut présenter une section non-circulaire transversalement à l'hélice 205a, cette section non-circulaire étant torsadée autour de l'hélice 205a pour faire tourner les lignes de courant autour de cette hélice 205a. En fonctionnement, ceci offre un brassage encore plus efficace des ergols en aval de l'élément d'injection. Plusieurs procédés permettent la fabrication de pièces monobloc de cette complexité. En particulier les procédés dits de fabrication additive peuvent être utilisés pour fabriquer une telle pièce. On entend comme « fabrication additive », dans ce contexte, les procédés de fabrication dans lesquels un matériau est assemblé, typiquement couche par couche, pour former la pièce à partir de données de modèle 3D. Parmi les procédés de fabrication additive pouvant être utilisés pour fabriquer cette pièce monobloc on compte notamment la fusion sélective par laser et le frittage sélectif par laser, deux procédés qui permettent la fabrication additive de pièces en matériau métallique ou céramique. Toutefois, d'autres procédés de fabrication, comme la fonderie (et notamment la fonderie à modèle perdu), l'usinage (et notamment l'usinage par décharge électrique) ou autres. Même si la présente description détaillé a fait référence à un moteur- fusée à turbopompe actionnée par les gaz de combustion d'un générateur de gaz, des injecteurs des mêmes types peuvent bien sûr être utilisés dans d'autres types de moteurs-fusées à ergols fluides, tels que par exemple les moteurs-fusées à cycle « expandeur » ou les moteur-fusées à ergols pressurissés.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, 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 outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués 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 (10)
- REVENDICATIONS1. Elément d'injection (201) d'un mélange d'au moins un premier ergol (El) et un deuxième ergol (E2) dans une chambre de combustion (6), comprenant au moins un premier canal (204) pour l'injection du premier ergol (El), et au moins un deuxième canal (205) pour l'injection du deuxième ergol (E2), ledit deuxième canal (205) étant un canal hélicoïdal suivant une hélice (205a) centrée sur un axe central (X) de l'élément d'injection (201), et caractérisé en ce qu'un pourtour entier d'une section du deuxième canal (205) dans au moins un plan perpendiculaire à l'axe central (X) du premier canal (204) est formé dans une seule pièce monobloc.
- 2. Elément d'injection (201) suivant la revendication 1, comprenant une pluralité de canaux hélicoïdaux (205) pour l'injection du deuxième ergol (E2), suivant chacun une hélice (205a,205b) centrée sur ledit axe central (X).
- 3. Elément d'injection (201) suivant la revendication 2, dans lequel une intersection d'au moins une desdites hélices (205a) avec un plan perpendiculaire audit axe central (X) est plus proche de l'axe central (X) qu'une intersection d'au moins une autre desdites hélices (205b) avec le même plan.
- 4. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'hélice (205a) est une hélice circulaire.
- 5. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'hélice (205a) est une hélice conique.
- 6. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit deuxième canal (205) présente une section non-circulaire torsadée autour de l'hélice (205a).
- 7. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit deuxième canal (205) est arrangé intérieurement par rapport au premier canal (204).
- 8. Elément d'injection suivant la revendication 7, dans lequel le premier canal (204) est annulaire.
- 9. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit deuxième canal (205) est arrangé extérieurement par rapport au premier canal (204).
- 10. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des 5 revendications précédentes, dans lequel ladite pièce monobloc est produite par fabrication additive.
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