Brevet FR2348372A1 — publié le 19771110

La présente invention se rapporte à une chambre de combustion, en particulier pour des statoréacteurs, comportant au moins un injecteur par lequel des gaz riches en combustible sont introduits sous la forme d'un jet divergent dans la chambre de combustion dans laquelle pénètre simultanément un comburant gazeux, en particulier de l'air, lequel enveloppe les gaz riches en combustible et réagit avec ces derniers, en particulier de façon hypergolique. Dans les statoréacteurs, l'air admis aux grandes vitesses de vol est ralenti dans un diffuseur d'entrée et pénètre sous forme d'air de combustion comprimé dans la chambre de combustion. Dans cette dernière, on apporte à l1air, à l'aide de combustible, de la chaleur et donc de lténergie qui est transformëe en force propulsive dans la tuyère de poussée fai sans suite à la chambre de combustion. Dans le cas de propulseurs à réaction, on cherche, comme pour toutes les machines à combustion à obtenir un rendement élevé et généralement une puissance spécifique importante. Un rendement élevé présume une combustion pratiquement complète et une grande puissance spécifique implique une charge élevée de la chambre de combustion. La charge de la chambre de combustion influe sur le volume de cette chambre, lequel doit être maintenu aussi faible que possible pour réduire le poids et la taille du groupe propulseur. Ces impératifs impliquent, dans le cas de tels propulseurs à réaction, un mélange rapide et en même temps intensif de l?air admis et du combustible introduit, d'une part afin de réduire-la longueur de la chambre nécessaire à la combustion complète et donc le.volume du propulseur et, d'autre part, afin d'améliorer le degré de combustion et donc d'obtenir un rençeoment élevé. Pour éviter une destruction thermique de la paroi de la chambre de combustion et de la tuyère de poussée, il est nécessaire de-créer à l'intErieur de la chambre de combustion une "zone morte" dans laquelle la vitesse d'écoulement du mélange combustible-air est inférieure à la vitesse de propagation des flammes.En d'autres termes, il est nécessaire de stabiliser le noyau de flammes chaud dans lequel a lieu la combustion, librement dans lespacgeXintférieur de la chambre de combustion et simultanément de lui apporter de l'air secondaire, de sorte que le noyau de réaction chaud n1 entre pas en contact avec les paroi et que la température des gaz de réaction chauds soit abaissée 4 une valeur supportable par le matériau de la tuyère de poussée. Pour stabiliser le noyau de flammes, on utilise des accroche-flammes réalisés généralement sous la forme d'obstaoles solides annulaires, disposés dans l'écoulement d'air, dans la zone avant de la chambre de combustion.Ces accroche-flammes produisent une zone de reflux ou pour le moins favorisent la formation d'une telle zone et provoquent des turbulences secondaires en vue de l'intensification du mélange de ltair et du combustible. Cependant, les accroche-flammes mécaniques du type connu posentégalement des difficultés dans ce sens que, par suite de la zone de reflux du noyau de flammes chaud, ils sont exposés à des contraintes thermiques élevées, et que, par suite de leur fixation locale dans la chambre de combustion, ils n'assurent pas des conditions de stabilisation optimales pour le noyau de flammes sur toute la plage des vitesses d'admission de l'air de combustion.Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà monté, sur des bancs d'essai pour des statoréacteurs, les accrocheflammes de façon réglable en direction axiale. Des dispositifs de réglage à actionnement manuel ou automatique pour les accroche-flammes sur les statoréacteurs montés à bord d'appareils volants sont cependant des constructions compliquées et coûteuses et sont avant tout peu fiables. Pour remédier aux inconvénients des dispositifs accroche-flammes mécaniques, il est en outre connu de produire un écoulement ralenti ou un reflux central par insufflation transversale ou à contre-courant d'air ou par injection croisée du combustible par rapport à l'air admis, ce qui procure une stabilisation de flammes basée sur la dynamique des fluides, sans accroche-flammes mécaniques. Cependant, dans certaines conditions > ce mode de stabilisation n'est pas applicable ou bien son effet de stabilisation n'est pas suffisant. On connue, par exemple par le brevet E.U.A. n" 2.987.875 un propulseur combiné à statoréacteur et fusée dans lequel après la combustion d'une charge propulsive de démarrage ou de lancements une seconde charge produit des gaz riches en combustible qui sont introduits dans une chambre de combustion dans laquelle pénètre simultanément de l'air en passant par un diffuseur annulaire. Dans ce propulseur, on a pravu une tuyère d'éjection centrale pour les gaz riches en eombustibla et un aocroohe-lammes annulaire à la tte de la chambre de combustion. En outre, comme le montre la demande de brevet RFA nO 2.143.012, il est connu d'utiliser des brûleurs à turbulences avec des accroche-flammes dans des chambres de combustion de propulseurs à turbine à gaz du type aérobie. Les brA- leurs à turbulences comprennent un injecteur pour injecter du combustible liquide sous forme d'un jet conique, une couronne d'aubes de turbulences et deux tubes disposés coaxialement à distance l'un dans l'autre à savoir un tube intérieur rétréci par un col et un tube extérieur élargi vers l'arrière, ce dernier se raccordant extérieurement à la paroi du foyer. Les deux tubes sont alimentés de l'avant dans le sens d'écoulement, en passant par les aubes de turbulences, en air primaire turbulent.Le combustible injecté sous forme liquide est mélangé avec l'air primaire turbulent arrivant de l'avant dans le sens d'écoulement. Les brûleurs à turbulences avec les accroche-flammes sont conçus du point de vue de la dynamique des fluides, de la manière que la partie de l'air secondaire qui reflue à l'intérieur du foyer et qui pénètre par de grandes ouvertures de la paroi du foyer dans l'espace intérieur de ce dernier ne parvienne que jusque dans la zone arrière de ltaccroche-lammes, sa pénétration plus profonde étant emp8- chée par le mélange combustible-air déSà turbulent, sortant de l'accroche-flammes. Un mode de réalisation semblable d'un brtleur à turbulences pour un propulseur à turbine d gaz du type aérobie est révélé par le brevet E.U.A. n" 2.982.099, dans lequel I-' injecteur qui injecte un combustible liquide dans le foyer est entouré par un tube de pulvérisation ouvert à l'arrière et à l'avant dans le sens d'écoulement et comportant des fentes longitudinales derrière l'injecteur, ledit tube étant ainsi traversé d'avant en arrière par de l'air. En outre, le brevet E.U.A. nO 3.002.351 révèle un statoréacteur comportant un foyer disposé coaxialement dans la chambre de combustion et-entouré par l'air en écoulement, l'air pénétrant dans ledit foyer par l'extrémité avant de ce dernier et le combustible étant injecté à l'état liquide. L'extrémité arrière ouverte du foyer est pourvue d'un bourrelet intérieur formant un rétrécissement radial de l'orifice du foyer. Le but de la présente invention est de créer une chambre de combustion, en particulier pour des statoréacteurs, du type décrit ci-dessus, qui assure une inflammation spontanée d'une partie au moins du mélange combustible-air et un allumage parfait de la chambre de combustion sur une large plage de puissances, quigarantisse une bonne stabilisation de flammes et un mélange rapide et intensif de l'air avec les gaz riches en combustible et qui, simultanément. entratne une préparation thermique efficace de ce mélange. Ce but est atteint, selon l'invention, par le fait que le ou les injecteurs pour les gaz riches en combustible débouchent dans une chambre auxiliaire ouverte uniquement vers l'arrière dans le sens d'écoulement principal, laquelle chambre auxiliaire sert d'obstacle pour l'air s'écoulant autour d'elle et de chambre de mélange et de réaction primaire pour une partie des gaz riches en combustible ainsi que pour une partie de l'air. L'invention procure les avantages généraux suivants : la chambre auxiliaire fait office d'obstacle pour l'air dtaamission et assure, dans la zone située derrière ladite chambre auxiliaire, la stabilisation d'une zone de réaction avec noyau de flammes dont le ralentissement est silmportant que sa vitesse de déplacement soit inférieure à la vitesse de propagation des flammes. La chambre ouverte vers l'arrière oblige directement ltenvetppe intérieure de l'air d'admission à s'écouler dans l'espace intérieur de la chambre auxiliaire, cela en entraînant une partie des gaz riches en combustible, les deux parties se mélangeant intimement avec effet de turbulences à cet endroit. I1 se forme ainsi, à l'intérieur de la chambre auxiliaire, immédiatement un mélange inflammable spontanément.La chambre auxiliaire constitue donc également une petite chambre de réaction à partir de laquelle est assuré l'allumage de la chambre de combustion proprement dite. L'autre partie plus importante des gaz riches en combustible sortant sous la forme d'un cône creux de la chambre auxiliaire, tangentiellement à ltextrémité de la chambre auxiliaire, touche la' partie restante de l'air pénétrant dans la chambre de combustion proprement dite, laquelle est ainsi déviée vers l'intérieur avec une composante radiale par la chambre auxiliaire faisant en outre office d'obstacle. Par suite de cette rencontre plus transversale des gaz riches en combustible et de l'air, il se forme une tratnée annulaire de turbulences dans laquelle se produit un mélange intensif du combustible et du comburant tous deux gazeux et la réaction de ces derniers jusqu'à la combustion complète.En mezme temps - et il s'agit là d'une caractéristique particulière de l'invention -, le processus de combustion qui se déroule dans la chambre de combustion proprement dite est ainsi en permanence soutenu intensivement du point de vue thermique par l'apport de chaleur massif à partir de la chambre (de combustion) auxiliaire, à savoir par les gaz de réaction chauds produits de façon continue à cet endroit, lesquels gaz de réaction sont entraînés par les gaz riches en combustible en direction de ladite traînée de turbulences et sont ainsi introduits dans cette tratnée. Cela accélère sensiblement le déroulement de la réaction dans son ensemble. Par les caractéristiques proposées et les conditions de fonctionnement qui en résultent, la durée d'inmma- tion est réduite et l'inflammabilité est accrue, cela par un rapport de mélange local plus élevé entre les gaz riches en combustible et l'oxygène de l'air dans la chambre auxiliaire; en outre, le degré de combustion dans la chambre de combustion, et donc le rendement du processus, est amélioré, la puissance est accrue, donc le volume de la chambre de combustion est comprimé et la longueur nécessaire à la combustion complète est réduite, ce qui entratne un raccourcissement de la chambre de combustion.Des essais ont confirmé que le dispositif conforme à l'invention est dans une large mesure insensible aux variations d'écoulement en vitesse et en quantité, à l'intérieur d'une grande plage de puissances, de sorte que la chambre de combustion conforme à l'invention fonctionne de façon optimale et maximale, eu égard à toutes les caractéristiques et paramètres déjà mentionnés, sur une large plage de puissances. L'écoulement d'enveloppe extérieur de l'air d'admission reste au contact de la surface intérieure de la chambre de combustion, ainsi que de la partie convergente et du col de la tuyère de poussée. Belon une autre caractdristiçue de l'invention, la chambre auxiliaire comporte, à son extrémité arrière, de façon connue en soi, un rebord dirigé radialement vers l'intérieur. Ce rebord recourbé vers l'intérieur assure une interception certaine d'une partie des gaz riches en combustible, ainsi qu'une durée de séjour plus longue de l'air et des gaz riches en combustible à l'intérieur de la chambre auxiliaire, et renforce la turbulence du mélange réagissant dans cette chambre. Suivant une autre caractéristique de l'inven- tion, le ou les injecteurs comportent, de façon connue en soi, plusieurs fentes dans la zone de leur extrémité arrière dans le sens d'écoulement principal. Une partie des gaz riches en combustible sort par ces fentes, à savoir la partie destinée à réagir dans la chambre (de combustion) auxiliaire. Cela présente l'avantage que la partie des gaz riches en combustible destinés à pénétrer dans la chambre auxiliaire peut être dosée de façon précise du point de vue quantitatif, tandis que la partie restante des gaz riches en combustible peut quitter la chambre auxiliaire directement, c'est-à-dire sans Autre gênée. Les fentes précitées de l'injecteur peuvent être orientées parallèlement à l'axe de l'injecteur ou également en hSlice. Par ardeurs, il est possible d'orienter ces fentes tangentiellement. Ainsi, une partie des gaz riches en combustible se voit imprimer un mouvement de rotation qui se dopage dans la chambre de combustion proprement dite et qui, tant dans la chambre (de combustion) auxiliaire que dans la chambre de combustion proprement dite, a un effet d'accélération et un effet d'amélioration qualitatif sur le déroulement du processus de combustion. En outre, selon l'invention, l'orifice de l'injecteur ou des injecteurs présente un rétrécissement entre l'extrémité avant et l'extrémité arrière des fentes. Cela procure un échappement plus dynamique de la partie des gaz riches en combustible pénétrant dans la chambre auxiliaire et une entrée à une vitesse relativement plus élevée de la partie restante des gaz dans la chambre de combustion proprement dite. I1 est en outre proposé, suivant une autre caractéristique de l'invention, que l'orifice du ou des injecteurs présente une section polygonale, en particulier une section carrée, Cela permet une répartitinn plus large en direction radiale des gaz riches en combustible dans la chambre auxiliaire et dans la chambre de combustion proprement dite. Un autre mode de réalisation de l'invention consiste dans le fait que l'injecteur pourvu de fentes est fermé à l'arrière. On obtient ainsi un éventail conique concentré de jets d'injection touchant l'air comburant d'admission ou écoulement fermé et déchirant aérodynamiquement cet écoulement fermé. Le dessin annexé représente schématiquement plusieurs exemples de réalisation non limitatifs de l'objet de l'invention; sur ce dessin la figure 1 est une coupe longitudinale d'un statoréacteur; les figures 2 à 4 représentent diverses variantes de l'injecteur et de la chambre auxiliaire; la figure 5 représente un injecteur de forme carrée avec des fentes d'injection tangentielles. Sur la figure I, la référence 1 désigne l'injecteur pour des gaz riches en combustible produits dans un générateur de gaz non représenté. L'injecteur débouche dans une chambre auxiliaire cylindrique 2. L'air d'admission L s'écoule autour de cette chambre 2; une partie LI ae cet air parvient par effet de reflux dans la chambre auxiliaire 2 en entralnant une partie B1 des gaz B riches en combustiLles, pour se mélanger et réagir avec ces gaz. Les gaz de combustion G1 chauds ainsi produits s'écoulent ensuite dans la chambre ae combustion 3 proprement dite.La partie restante B2 des gaz B riches en combustible et la partie restante L2 de l'air de combustion L s'écoulent directement dans la chambre de combustion 3. Les détails de ce processus de combustion ont déjà été décrits précédemment. Sur la figure 2, l'injecteur 1 comporte des fentes d'injection 4, en particulier pour la partie B1 des gaz riches en combustible, laquelle entre en réaction, à l'intérieur de la chambre auxiliaire 2 > avec la partie L1 de l'air de combustion L pénétrant dans la chambre 2. La chambre auxiliaire 2 présente à son extrémité arrière un rebord 2a formé rassialement vers l'intérieur. La figure 3 représente un injecteur pourvu de fentes 4, l'injecteur 1 se rétrécissant en direction de son orifice. Sur la figure 4, l'extrémité arrière de l'injecteur 1 est fermée et les gaz B riches en combustible ne s'écoulent ici que par des fentes 4 dans la chambre auxiliaire 2 et dans la chambre de combustion 3. Sur la figure 5, ltorifice de l'injecteur 1 est polygonal en l'occurrence carré et les fentes d'inSec- tion 4 sont orientées tangentiellement. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion, en particulier pour des statoréacteurs, comportant au moins un injecteur par lequel des gaz riches en combustible sont introduits sous la forme d'un jet divergent dans la chambre de combustion dans laquelle pénètre simultanément un comburant gazeux, en particulier de l'air, lequel enveloppe les gaz riches en combustible et réagit avec ces derniers en particulier de façon hyperbolique, caractérisée par le fait que le ou les injecteurs (1) pour les gaz (B) riches en combustible débouchent dans une chambre auxiliaire (2) qui est ouverte uniquement vers l'arrière dans le sens d'écoulement principal et qui sert d'obstacle pour l'air (L) s'écoulant autour d'elle et de chambre de mélange et de réaction primaire pour une partie (B1) des gaz (B) riches en combustible ainsi qu'une partie (L1) de l'air (L). 2. Chambre de combustion suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la chambre auxiliaire (2) présente à son extrémité arrière ouverte un rebord (2a) dirigé radialement vers l'intérieur. 3. Chambre de combustion suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que le ou les injecteurs (1) comportent une ou plusieurs fentes (4) dans la zone de leur extrémité arrière dans le sens d'écoulement principal. 4. Chambre de combustion suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que les fentes (4) dans l'injecteur (1) sont orientées de façon axialement parallèle. 5. Chambre de combustion suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que la fentes (4) dans l'injecteur (1) sont orientées en hélice. 6. Chambre de combustion suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que les fentes(4) sont orientées tangentiellement. 7. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que l'ori- fice du ou des injecteurs (1) présente un rétrécissement entre l'extrémité avant et l'extrémité arrière des fentes (4). 8. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que le ou les injecteurs (1) présentent un orifice polygonal, en particulier carré. 9. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le ou les injecteurs (1) sont disposés par rapport à l'extrémité arrière de la chambre auxiliaire (2) ou le rebord (2a) tourné vers l'intérieur de manière que la surface latérale du cane d'injection des gaz (B) riches en combustible soit tangente à l'extrémité arrière de a chambre auxiliaire (2) ou au rebord (2a) tourné vers l'intérieur. 10. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que les gaz (B) riches en combustibles injectés par les fentes (4) sous la forme d'un éventail de jets d'injection élémentaires (B1) pénètrent dans la chambre auxiliaire (2) encore en avant de l'extrémité arrière de cette chambre ou du rebord tourné vers l'intérieur, tandis que la partie restante (B2) s gaz (B) riches en combustible parvient, en passant derrière l'extrémité arrière de la chambre auxiliaire (2) ou le rebord (2a) tourné vers l'intérieur, directement dans la chambre de combustible (3) proprement dite. 11. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que l'orifice du ou des injecteurs (1) pourvus de fentes (4) est ferré à l'arrière. 12. Chambre de combustion suivant la revendication 11, caractérisée par le fait que les fentes (4) sont disposées et réalisées dans le ou les injecteurs (1) fermés à l'arrière de manière qu'une partie des jets élémentaires du faisceau de jets de gaz (B) riches en combustible soit introduite encore en avant de l'extrémité arrière de la chambre auxiliaire (2) ou du rebord (2a) retourné vers l'intérieur dans l'espace intérieur de cette chambre, tandis que autre partie majeure desdits jets élémentaires parvient, en passant derrière l'extrémité arrière de la chambre auxiliaire (2) ou le rebord (2a) tourné vers l'intérieur, directement dans la chambre de eantustion (3) proprement dite. 15. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait que les gaz (B) riches en combustible sont injectés dans la chambre auxiliaire (2) et dans la chambre de combustion (3) sous une pression sensiblement plus élevée et avec une vitesse plus éleVée que l'air (L) pénétrant dans ces chambres.