Brevet FR2519083A1 — publié le 19830701

La présente invention concerne des moteurs-fusées à chambre de combustion secondaire munie d'un conduit ex- térieur d'air comburant, en abrégé "moteurs-fusées à con- duit d'air" et la distribution du combustible fluide com- pressible qui sort du générateur de gaz de ce type de pro- pulseur Elle concerne plus particulièrement un injecteur qui distribue ce combustible fluide avec des débits très variables entre des orifices de sortie espacés les uns des autres et qui est destiné à être utilisé dans une chambre de combustion secondaire du moteur-fusée Elle concerne en outre, d'une manière encore plus spécifique, un injec- teur de ce type, qui est muni de passages axiaux et radiaux proportionnés pour débiter de façon régulière et uniforme vers la chambre de combustion secondaire des quantités choisies de combustible s'écoulant à des vitesses varia- bles. Les injecteurs de combustible à débit fixe pour mo- teurs-fusées à conduit d'air distribuent entre plusieurs orifices de sortie espacés un combustible fluide compressi- ble qui s'écoule à une vitesse constante entre le généra- teur de gaz et la chambre de combustion secondaire de ce type de propulseur Un injecteur à débit fixe peut être conçu de telle façon que la section de passage totale de ses orifices de sortie est bien inférieure à la section u- tile de son passage axial en amont Il en résulte que le courant de fluide se divise entre ces orifices de sortie à peu près suivant le rapport entre leurs sections de pas- sage respectives. Les injecteurs de combustible à débit variable sont munis en amont d'un dispositif étrangleur pour commander le débit du combustible fluide qui les traverse Il est né- cessaire que la somme des sections utiles respectives des orifices de sortie soit égale ou supérieure à la section libre de l'étrangleur ouvert au maximum, sinon ce eernier peut perdre de son efficacité à des débits minimaux corres- pondants. En outre, si on laisse accélérer jusqu'à des vites- ses supersoniques le flux de combustible à travers ces in- jecteurs à débit variable, la perte de capacité d'étran- glement peut alors s'accompagner aussi d'une distorsion dans la distribution du combustible par suite de phénomè- nes de choc locaux et de coefficients de décharge brusque- ment réduits. L'invention a donc tout d'abord pour objet de réali- ser un injecteur permettant un écoulement uniforme et ré- gulier, avec des débits très variables, d'un combustible fluide compressible entre le générateur de gaz et la cham- bre de combustion secondaire d'un moteur-fusée à conduit d'air, et ce, sans que le dispositif étrangleur placé en amont perde de son efficacité. Elle a aussi pour objet de réaliser un injecteur qui puisse en outre être fabriqué en utilisant des techni- ques d'usinage ordinaires. A cet effet, l'injecteur de combustible selon l'in- vention, pour un moteur-fusée à conduit d'air, est du type de ceux qui comprennent un élément tubulaire de forme al- longée, fournissant pour l'écoulement d'un combustible fluide compressible un passage qui s'étend en aval d'une source de ce combustible et aboutit à une chambre de com- bustion secondaire pour ce dernier, et il est caractérisé en ce que l'aire de la section intérieure de cet élément tubulaire diminue par paliers vers l'aval pour former des tronçons cylindriques d'entrée, intermédiaire et de sortie, respectivement, le dernier cité de ces tronçons fournissant un orifice de sortie axial et l'élément tubulaire étant mu- ni en outre de groupes de passages de sortie du combustible, qui s'étendent radialement et aboutissent aussi à la cham- bre de combustion secondaire: un groupe de passages d'a-. mont, qui traversent la paroi du tronçon d'entrée, près de sa transition avec le tronçon intermédiaire, et un groupe de passages d'aval, qui traversent la paroi de ce tronçon intermédiaire, près de sa transition avec le tronçon de sortie. De toute façon, l'invention sera bien comprise a 1 ' 19083 aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non li- mitatif, une forme d'exécution de cet injecteur: Fig 1 est une vue en coupe de l'injecteur selon 1 ' invention, montrant ses passages pour le combustible; Fig 2 est une vue en coupe transversale suivant 2 2 de fig 1; Fig 3 est une vue en coupe longitudinale de l'in- jecteur monté sur un robinet à plongeur entre le généra- teur de gaz et la chambre de combustion secondaire du mo- teur-fusée; Fig 4 est une vue fortement schématisée d'un mo- teur-fusée à conduit d'air, avec son générateur de gaz et sa chambre de combustion secondaire communiquant par I' intermédiaire dudit robinet à plongeur et de l'injecteur; Fig 5 est un graphique des données pour le dessin d'un injecteur selon l'invention. Les figures 1 à 4 montrent un injecteur de combus- tible 10 et sa position dans un moteur-fusée à conduit d' air. Comme le montrent les figures 1 à 3, cet injecteur est muni d'une bride annulaire 12, au moyen de laquelle il est monté sur un robinet à plongeur 14, qui commande le débit du combustible fluide compressible vers l'injecteur. Cette bride 12 et trois tronçons successifs 16, 16 et 20 d'un corps annulaire forment l'injecteur Un épaule- ment intérieur 22 sépare le tronçon d'entrée 16 du tronçon intermédiaire 18 et un autre épaulement intérieur 24 sépa- re le tronçon intermédiaire 18 du tronçon de sortie 20. Le tronçon d'entrée 16 définit un orifice d'entrée 26, tandis que le tronçon de sortie 20 définit un orifice de sortie 28 Un passage axial 30 pour l'écoulement du com- bustible s'étend de l'orifice d'entrée 26 à l'orifice de sortie 28. Environ la moitié du combustible fluide compressi- ble qui pénètre dans l'injecteur 10 par l'orifice 26 sort par l'orifice 28 L'autre moitié sort de l'injecteur par deux paires d'orifices radiaux: une paire amont 32, 34 et une paire aval 36, 38 Cette distribution moitié/moitié dans l'injecteur 10 est particulière à un moteur-fusée à conduit d'air spécifique et c'est la distribution désira- ble pour un tel propulseur (On peut réaliser d'autres dis- tributions tout en appliquant le principe de l'invention. Les injecteurs qui permettent de réaliser ces autres dis- trubutions peuvent avoir un nombre et des dimensions dif- férentes des paliers séparés par les épaulements et des o- rifices, qui conviennent à la distribution désirée du flux de combustible et conservent à l'écoulement de celui-ci sont caractère régulier et uniforme). Les orifices amont 32 et 34 sont séparés l'un de 1 ' autre par une distance angulaire de 1800 environ autour du tronçon d'entrée 16 et ils s'étendent à travers la paroi de ce tronçon, juste avant l'épaulement 22 Les axes res- pectifs de ces orifices amont 32 et 34 sont inclinés sur l'axe du passage 30 en formant un angle ouvert en direction de l'orifice de sortie axial 28 Ces axes se coupent en formant un angle A d'environ 120 dans un plan longitudinal qui coupe en deux parties égales la section du passage 30. Le diamètre de l'orifice amont 32 est égal à celui de l'autre orifice amont 34 et supérieur au diamètre des orifices aval 36 et 38, qui est le même pour ces deux ori- fices. Les orifices aval 36 et 38 sont espacés l'un de I' autre dans le sens périphérique du tronçon intermédiaire 18 et ils s'étendent en travers de la paroi de ce tronçon, juste avant l'épaulement 24 Leurs axes respectifs se cou- peut en formant un angle B de 90 environ dans le plan de coupe 2 2 de la figure 2. La bride annulaire 12, vue en élévation à la figure 2, présente une pluralité de trous 40, prévus pour la fi- xation de l'injecteur-10 à l'appareil de robinetterie 14. Comme le montre la figure 3, ces trous 40 sont amenés en face de trous similaires 42 ménagés dans une bride 44 de cet appareil 14, qui est un robinet à plongeur, pour le passage de vis d'assemblage 46 (deux des huit trous 42 de la bride 44 sont représentés à la figure 3) Près du bord intérieur de cette bride 44 s'étend une rainure circulaire 48, dans laquelle est monté un joint torique Les vis 46 traversent aussi une bride annulaire 45 portée par la tê- te bombée 47 de la chambre de combustion secondaire 58 pour le montage de l'injecteur 10 et du robinet à plon- geur 14 dans le moteur-fusée à conduit d'air. Lorsque l'injecteur de combustible 10 et le robinet à plongeur 14 sont assemblés comme à la figure 3, le passa- ge cylindrique 50 pour l'écoulement du fluide combustible dans le robinet 14 et le passage axial 30 dans l'injecteur se trouvent dans l'alignement l'un de l'autre Le plongeur 52, en s'enfonçant plus ou moins dans le passage cylindrique 50, dose l'arrivée du fluide combustible dans l'injecteur 10 et donc dans la chambre de combustion se- condaire 58 du moteur-fusée (cf fig 4) Les orifices a- val 36 et 38 envoient le combustible de chaque côté du montage 49 de l'allumeur. Les robinets à plongeur qui peuvent être utilisés conjointement à l'injecteur 10 sont décrit plus complète- ment dans la demande de brevet U S 129 284 du 11 mars 1981 auxnomsde Burkes, Jr et Miller. La figure 4 montre en coupe longitudinale et de façon très schématisée une fusée à conduit d'air 54, avec son ogive 55 (contenant par exemple le cône de charge et les moyens de guidage) La fusée comporte un module géné- rateur de gaz 56 et une chambre de combustion secondaire 58, qui communiquent par l'intermédiaire du robinet 14 et de l'injecteur 10 Le module générateur de gaz 56 contient un bloc de combustible solide 60 qui, en brûlant, donne un combustible fluide compressible Celui-ci brûle à son tour dans la chambre de combustion secondaire 58, l'air combu- rant arrivant dans cette chambre par un conduit 61 Les produits de cette combustion s'échappent à travers la tuyè- re 64 à l'extrémité aval de la chambre 58, propulsant ain- si la fusée 54. Pour la fabrication de l'injecteur de combustible , on utilise trois alésoirs de tailles différentes, de plus en plus grands (non représentés) pour forer le passa- ge axial 30 Les deux plus grands alésoirs ont chacun un chanfrein à l'une de leurs extrémités, pour tailler les deux épaulements 22 et 24 de l'injecteur 10. Ces trois alésoirs sont utilisés de la manière sui- vante: On se sert tout d'abord de l'alésoir qui a le plus petit diamètre pour forer d'une extrémité à l'autre une pièce cylindrique de dimensions appropriées Le diamètre de cet alésoir est égal à celui de l'orifice de sortie 28. On utilise ensuite l'alésoir de diamètre intermédiaire pour forer la pièce sur une partie de sa longueur Le dia mètre de cet alésoir correspond au diamètre intérieur du tronçon intermédiaire 18 de l'injecteur 10 On prend enfin le troisième et plus grand alésoir et l'on fore la pièce sur une partie encore plus petite de sa longueur Le diamè- tre de ce troisième alésoir est égal à celui de l'orifice d'entrée 26 et donc au diamètre intérieur du tronçon 16. -On fore ensuite à l'aide d'autres alésoirs les paires de trous amont 32 et 34 et aval 36 et 38, pour terminer l'in- jecteur 10. L'injecteur selon l'invention distribue le combusti- ble venant du robinet à plongeur 14 à raison de 1,36 à ,90 kg/s, environ, à des températures comprises entre 538 n C et 12040 C, environ. On comprendra que les dimensions particulières du passage axial 30, des épaulements 22 et 24 et des orifices de sortie radiaux 32, 34, 36 et 38 peuvent être choisies aussi en fonction d'autres températures et d'autres débits, ainsi que pour tenir compte de contraintes d'encombrement. On comprendra aussi qu'un nombre plus ou moins grand d'ori- fices placés de manière quelque peu différente que dans les figures 1 à 3 donnera des résultats conformes à la présente invention Il va de soi en outre que l'injecteur 10 et le robinet 14 peuvent être placés différemment dans la fusée. 19083 Exemple L'injecteur de combustible 10 a été conçu en utili- sant l'approche analytique ci-dessous Cette technique peut être utilisée pour la conception d'autres injecteurs du même type. Aj= section de passage maximale d'un dispositif de réglage du débit, comme le dispositif 14 à la fig 3. A p= somme des sections de passage des orifices de sortie d'un injecteur, par exemple des orifices de sortie 32, 34, 36, 38 et 28 de l'injecteur 10 des figures 1 à 3. A 1 = section de passage de l'injecteur avant purge. A 2 = section de passage de l'injecteur après purge. AB= section de passage dans un conduit axial tel que le passage 30 de l'injecteur 10, supposé être égal à la section géométrique multipliée par un coefficient de décharge convenablement choisi. X = distance dont un plongeur ou autre obturateur teol que le plongeur 12 se rétracte à partir d'un point fi- xe. Xc= distance dont le plongueur se rétracte juste a- vant que le dispositif de réglage du débit cesse d'étran- gler. MB= nombre de Mach de l'écoulement global dans I' injecteur. ( = rapport thermique spécifique du fluide compres- sible examiné. W = quantité débitée avant purge. W 2 = quantité débitée après purge. WB = quantité purgée = Wl W 2 A Ap= AB-Ap. CD = coefficient de décharge /CD = modification du coefficient de décharge qui fait que le dispositif de réglage du débit cesse d'étran- gler, supposé être 0,1 x CD. En ce qui concerne les définitions ci-dessus, on suppose Ac qui le traverse est minimum Pour que la vitesse d'écoule- ment dans le passage axial reste subsonique, il faut alors que Ap AB. On suppose que l'écoulement est isentropique et que AI A F YB±1 M B ____ 2 (I) A B B L t M 2 j 2 (Wt-1) 2 B par analyse connue La distribution massique est prise comme variable indépendante dans la conception de la géométrie de l'in- jecteur La distribution massique est fixée à des valeurs qui satisfont les exigences en ce qui concerne la distri- bution du combustible, le mélange et la combustion dans la chambre de combustion secondaire. La figure 5 est un graphique Ap/AB en fonction de MB (courbe X) suivant l'équation I, établi en calculant Ap/AB avec utilisation du coefficient t approprié, dans A lequel A est égal à A c A AB (I) AB AC et AB/Ac est déterminé à partir de données connues pour la conception d'appareils de robinetterie L'intersection X 1 de cette fonction Ap/A avec la ligne A /A = 1 à la figure 5 fournit la limite inférieure au nombre de Mach MB utilisé pour la conception. On prévoit un "tampon" pour le nombre de Mach afin d'empêcher les perturbations locales et les régions trans- soniques de devenir trop grandes, trop rapides ou trop fortes On peut ainsi tolérer des incertitudes et varia- tions dans le coefficient de décharge sans supprimer l'ef- fet d'étranglement Si le changement de section de l'écou- lement subsonique A l'écoulement sonique est représenté par A p, le rapport de section(et donc le nombre de Mach) est limité er l'incertitude de CD: 1 + CD 4 (III) CD AB ol'on a AB A = Ap L'équation III peut être exprimée sous une autre forme, comme une fonction du nombre de Mach MB, en utili- sant l'équation I pour obtenir: AC A 1 La courbe Y représente 2 -A à la figure 5. b L'intersection Y de la courbe Y avec la ligne constante 1 + CD/CD que représente la partie gauche de l'équation IV fournit la limite supérieure du nombre de Mac MB, com- me on peut le voir à la figure 5 Les nombres de Mach compris entre les points d'intersection X 1 et Y 1 sont donc des limites de conception; on choisit dans la plage moyenne une valeur qui, à son tour, définit Ap. L'étape suivante consiste à définir l'aire spécifi- que des orifices et la géométrie des épaulements nécessai- res pour maintenir constant le nombre de Mach choisi à la conception On sait que: 2 ( 11 2 d M -2 ( 1 + _ M 2) d A d M -2 d A -M = M ( 1 M 2) A (V) + 2 ( 1 + diamètre du passage axial et aussi depuis avant l'épaule- ment jusqu'à l'entrée de l'orifice de décharge subsonique (en traitant la zone après épaulement comme une purge), donne les sections spécifiques des orifices et le diamè- tre de l'épaulement Les sections soniques à l'emplace- ment de chaque orifice sont égales aux sections subsoni- ques multipliées par A /AB (équation I) On confronte le total des sections calculées individuellement avec la valeur calculée à partir du nombre de Mach et de la va- leur de Ac (on peut corriger les légères différences Éven- tuelles en répartissant proportionnellement Les données ainsi obtenues pour le dessin de l'in- jecteur sont utilisées pour calculer les dimensions et la géométrie des alésoirs, au moyen du coefficient de déchar- ge empirique pour les orifices de sortie L'angle formé par l'axe des orifices 32 et 2 avec celui du passage 30 aux figures 1 a 3 compense partiellement le train de chocs considérable et la courte distance entre le plongeur et ces orifices lorsque le plongueur est presque fermé, ce qui a pour conséquence des rapports de section élevés en arrière de l'étranglement du robinet pour une expansion supersonique éventuelle. L'analyse pour l'injecteur 10 donne les résultats suivants Identification de la CD Diamètre (cm) section de passage 1,0 1,778 tout le tronçon 16 o, 9 1,527 tout le tronçon 18 0,9 1,057 tout le tronçon 20 o,6 0,874 orifice de sortie 32 o,6 0,874 orifice de sortie 34 0,7 0,752 orifice de sortie 36 0,7 0,752 orifice de sortie 38, les coefficients de décharge étant supposés tels qu'in- diqués, le nombre de Mach (MB) de 0,60 étant utilisé et le flux massique étant divisé également entre l'orifice axial et les orifices radiaux ( 50 % à travers l'orifice 28 et 50 % au total à travers les orifices 32, 34, 36, 38), la répartition étant aussi égale entre ces derniers orifi- ces avec 12,5 % du flux total pour chacun. _ REVENDICATIONS - 1. Injecteur de combustible pour un moteur fusée a chambre de combustion secondaire munie d'un conduit ex- térieur d'air comburant, comprenant un élément tubulaire de forme allongée, présentant pour l'écoulement d'un com- bustible fluide compressible un passage qui s'étend en a- val d'une source de ce combustible et aboutit à une cham- bre de combustion secondaire pour ce dernier, caractérisé en ce que l'aire de la section intérieure de cet élément tubulaire diminue par paliers successifs vers l'aval pour former des tronçons cylindriques d'entrée ( 16), intermé- diaire ( 18) et de sortie ( 20), respectivement, le dernier cité de ces tronçons fournissant un orifice de sortie axial ( 28) et l'élément tubulaire étant muni en outre de groupes de passages de sortie du combustible, qui s'éten- dent radialement et aboutissent aussi à la chambre de combustion secondaire ( 58): un groupe de passages d'amont ( 32,34) qui traversent la paroi du tronçon d'entrée ( 16), près de sa transition ( 22) avec le tronçon intermédiaire ( 18), et un groupe de passages d'aval ( 36,38), qui traver- sent la paroi du tronçon intermédiaire ( 18), près de sa transition ( 24) avec le tronçon de sortie ( 20). 2. Injecteur selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le groupe de passages d'amont est une paire de passages ( 32, 34) qui s'étendent obliquement à travers la paroi du tronçon d'entrée* 3. Injecteur selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé en ce que le groupe de passages d' aval est une paire de passages ( 36,38) qui s'étendent à travers la paroi du tronçon intermédiaire, perpenridulaire- ment au passage axial. 4. Injecteur selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que les axes respectifs des passages d'aval se coupent à angle droit avec l'axe du passage axial. 5 Injecteur selon la revendication 3 ou la reven- dication 4, caractérisé,en ce qu'un passage de la paire d' amont a une aire de section supérieure à celle d'un passa- ge de la paire d'aval. 6. Injecteur selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que l'orifice de sortie axial ( 28) a une aire de section supérieure à celle de chacun des passages radiaux. 7 Injecteur selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'élément tubulaire est muni d'une bride an- nulaire ( 12) qui possède des moyens pour monter le dit élément tubulaire sur un dispositif de réglage du débit ( 14) 8 Injecteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur axiale du tronçon d'entrée ( 16) est supérieure à celle du tronçon intermédiaire ( 18).