Brevet FR2566842A1 — publié le 19860103

Procédé pour la fixation inamovible des injecteurs dans la tête d'injection de chambres de combustion de moteurs-fusées Pour des moteurs-fusées, la tête d'injection a d'une manière générale pour fonction d'introduire dans la chambre de combustion les combustibles qui y entrent en réaction -hydrogène et oxygène par exemple- de manière à obtenir une répartition la plus uniforme possible et un mélange le plus intime possible de l'hydrogène et de l'oxygène, ce qui accélére la réaction, élève le degré de combustion et raccourcit la distance de combustion -et par suite la longueur de la chambre de combustion.Une condition nécessaire pour que le mélange des deux combustibles soit à la fois rapide et le plus intégral possible est que la quantité totale de combustible soit répartie en une multiplicité de petites quantités partielles ; ceci est par exemple assuré au moyen d'une multiplicité d'injecteurs serrés les uns à côté des autres à l'avant de la tête d'injection. Un tel agencement des injecteurs est par exemple présenté par le brevet US-3 270 499, selon leque les injecteurs sont individuellement bloqués à vis ou rapportes de façon étanche dans une plaque frontale de la tête d'injection (figure 3). Ici, l'un des combustibles est introduit dans la chambre de combustion par les injecteurs eux-mêmes, tandis que l'autre combustible est introduit par l'intermédiaire du réseau intersticiel formé par le faible écart entre les différents injecteurs. En matière d'installation des injecteurs dans la tête d'injection de chambres de combustion de moteurs-fusées, deux exigences techniques fondamentales sont déterminantes : il s'agit d'une part de l'influence positive à exercer sur la qualité du processus de réaction -ce qui, comme on l'a déjà mentionné, est obtenu par un nombre maximal d'injecteurs par unité de surface, permettant de disposer de quantités partielles injectées les plus petites possibles-, et d'autre part de la qualité du mode d'agencement des injecteurs qui, face à des conditions de service extrèmement sévères, exige une fixation à la fois absolument fiable et hydrauliquement étanche. A celà s'ajoute la nécessité d'un mode de fabrication économique du point de vue des coûts de matières et de main-d'oeuvre, notamment en cas de fabrication en série. Sur ces points, les configurations proposées par le brevet US-3 270 499 présentent l'inconvénient que les nombreux taraudages pratiqués dans la plaque frontale pour installer les différents injecteurs affaiblissent la solidité de cette plaque, et ne permettent pas de choisir des écartements extrèmement restreints entre les alésages. En outre, avec les bagues d'étanchéité élastiques employées pour les assemblages filetés, il est extrèmement difficile d'assurer une étanchéité parfaite de ces assemblages vis-à-vis de fluides corrosifs lorsque, comme c'est le cas ici, ils sont soumis à des conditions de service très sévères.On connatt également une méthode permettant d'éliminer ces difficultés : elle consiste à réaliser en une seule pièce la tête d'injection munie des corps d'injecteurs, en façonnant mécaniquement les corps d'injecteurs dans la masse. Ce procédé de fabrication est long et coûteux. Les autres procédés de fixation courants, tels que l'encastrage, le simple brasage ou le soudage conventionnel des différents injecteurs, ne sont pas sans poser de problèmes face aux conditions de service exceptionnelles en présence, ou bien sont partiellement irréalisables pour des questions de technique de fabrication. La présente invention a pour objectif de proposer un procédé de fixation des différents injecteurs qui permette de supprimer toutes les difficultés rencontrées dans cette application particulière, qui garantisse une sécurité de fonctionnement absolue, et qui permette d'installer sans problèmes un nombre maximal d'injecteurs sur la tête d'injection. Le procédé selon l'invention atteint cet objectif par le fait que la fixation inamovible des embases des injecteurs dans la tête d'injection est effectuée par soudage par diffusion en fixant, avant le soudage par diffusion, avec un ajustement serré garantissant le processus de diffusion ultérieur, les embases notamment cylindriques dans des alésages correspondants, à surface densifiée, pratiqués dans la tête d'injection, le diamètre extérieur des embases étant, par l'application d'une couche intermédiaire nécessaire pour le soudage par diffusion ultérieur, amené à la surcote nécessaire par rapport au diamètre intérieur des alésages pour produire l'ajustement serré, et la tête d'injection étant chauffée à la température de montage permettant l'introduction des embases relativement froides dans les alésages, puis en chauffant la tête d'injection munie des injecteurs ou de leurs embases, et éventuellement entretemps refroidie, à la température nécessaire pour le soudage par diffusion, température qui est maintenue notamment jusqu'à la dissolution du matériau de la couche intermédiaire ou jusqu'à sa diffusion complète dans les éléments voisins, à la suite de quoi la tête d'injection encore chaude munie des injecteurs est refroidie à la température ambiante à une rapidité telle qu'il s'ensuit une amélioration de structure en vue d'un accroissement de la résistance. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, la température de montage à laquelle est amenée la tête d'injection pour l'introduction des embases dans ses alésages est, pour une tête d'injection réalisée en acier au nickel et des injecteurs réalisés dans le même matériau, de 250 à 6000C. Selon une nouvelle caractéristique de l'invention, la température de soudage par diffusion est de 970 à 11200C lorsqu'on emploie de l'or comme matériau pour la couche intermédiaire, et de 920 à 9800C lorsqu'on emploie du nickel-phosphore. Le procédé selon l'invention est un procédé en deux étapes, dont la première étape constite à fixer provisoirement les injecteurs par ajustement serré dans la tête d'injection, et dont la deuxième étape, à savoir le soudage par diffusion, a pour objet la fixation définitive des injecteurs. Ce procédé présente les avantages suivants La fabrication aux dimensions exactes des embases de fixation des injecteurs, obtenue par l'application d'une couche intermédiaire, peut être par exemple tout simplement réalisée au moyen d'une fabrication en série en bain galvanique. Par ailleurs, l'obtention sur la tête d'injection, par des moyens mécaniques, d'alésages aux dimensions exactes et à surface densifiée -ce qu'on réalise par pression ou olivage d'évidement cylindriques préalésés ou ébauchés-, ne présente pas de difficultés techniques particulières.Ceci vaut également pour l'insertion des embases des injecteurs dans la tête d'injection chauffée à la température d'ajustement serré ou encore à la température de montage. Ce faisant, une nouvelle caractéristique de l'invention prévoit, à l'aide d'un dispositif de montage spécial, de prendre si;,,ultanément les différents injecteurs et de les enfoncer ensemble dans les alésages finis de la tête d'injection chauffée, de sorte que, même en cas d'écarts extrèmement faibles entre les différents points de fixation dans la plaque frontale de la tête d'injection, cette dernière ne soit pas déformée.La fixation provisoire conforme à l'invention des injecteurs dans la tête d'injection offre l'avantage spécifique de permettre de contrôler et de mesurer la position et l'orientation des injecteurs qui sont déjà fixés à leur place définitive, alors même que leur fixation définitive par soudage par diffusion n'est pas encore accomplie. Le cas échéant, il est possible d'effectuer des corrections par une action thermique localisée. La deuxième étape du procédé, c'est-à-dire le soudage par diffusion, permet d'obtenir un assemblage absolument homogène des embases de fixation des injecteurs avec la tête d'injection, ce qui implique qu'en matière de résistance, l'élément intégral ainsi obtenu -à savoir la tête d'injection ou la plaque frontale de tête d'injection munie des différents injecteurs- agit comme s'il s'agissait d'un composant réalisé dans la masse, qui conserve son contour et est optimalement adapté aux sollicitations thermiques et mécaniques de l'exploitation. En effet, le soudage par diffusion permet d'obtenir une zone de solution solide parfaite qui, par dissolution de la couche intermédiaire, apporte une liaison atomique entre la tête d'injection et les embases de fixation des injecteurs. La qualité du soudage par diffusion est encore améliorée par la densification préalable de la surface des alésages destinés à recevoir les embases des injecteurs.En outre, le traitement thermique de l'élément intégral "tête d'injection + injecteurs", qui suit immédiatement le soudage par diffusion sous la forme d'un refroidissement adéquatement rapide à la température ambiante, apporte une amélioration permanente de structure en vue d'un accroissement de résistance ; plus précisément, le traitement thermique -qui, pour de tels éléments de construction, est ha bituellement entrepris à la fin de la fabrication sous la forme d'un recuit de mise en solution en vue d'un accroissement de la résistance mécanique- est dans le cadre du procédé selon l'invention effectué immédiatement après le soudage par diffusion, de sorte que l'on fait l'économie de la phase de chauffage à la température de recuit. A cela s'ajoute que l'assemblage proposé est hydrauliquement étanche à 100 ós et reste étanche pendant toute la durée d'utilisation des pièces, ce qui est de première importance lorsqu'on emploie comme combustibles des fluides chimiques partiellement corrosifs. En résumé, on peut affirmer que, par rapport aux procédés et pratiques connus jusqu'alors, le procédé selon l'invention est à la fois plus rentable et d'une meilleure qualité technique. La description qui suit présente deux exemples de réalisation de l'invention figurés sur le dessin annexé. Ce dessin montre à la figure 1 une partie de tête d'injection et des corps dlin- jecteurs reçus dans un dispositif de montage, à la figure 2 des injecteurs complets à deux combustibles fixés dans la tête d'injection, à la figure 3 des injecteurs monocombustible fixés dans une plaque frontale d'une tête d'injection. Comme le montre la figure 1, les embases cylindriques 1 des corps d'injecteurs 2a sont, par application d'une couche intermédiaire 3, amenés à un diamètre d présentant une surcote par rapport au diamètre intérieur D des alésages 4 finis pratiqués dans la tête d'injection 5, c'est-à-dire que le diamètre d est supérieur de 2 à 3 centièmes de millimètre au diamètre D correspondant (ce chiffre est donné à titre d'exemple ; sa valeur exacte dépend de celle donnée au diamètre).La tête d'injection 5 ou la plaque frontale 5a est alors chauffée, c'est-à-dire amenée à une température de montage de 250 à 600 C, de sorte que, par une dilatation thermique provisoire des alésages 4 à un diamètre intérieur D', les embases 1 peuvent être simultanément enfoncées dans les alésages 4 à l'aide du dispositif de montage 6, ceci étant rendu possible par le fait que D' est très légèrement supérieur à d. Lorsque la tête d'injection 5 ou la plaque frontale 5a est refroidie, les embases 1 se trouvent fixées avec précontrainte (ajustement serré) dans les alésages 4, de sorte que l'on peut contrôler et mesurer l'agencement des nombreux corps d'injecteurs 2a. La tête d'injection 5 ou la plaque frontale 5a munie des corps d'injecteurs 2a est ensuite chauffée dans un four à la température de soudage par diffusion, qui est de 970 à 11200C lorsqu'on emploie de l'or comme matériau pour la couche intermédiaire 3, et de 920 à 9800C lorsqu'on emploie du nickel-phosphore, et le processus de soudage par diffusion se déroule alors sous la pression de la précontrainte de l'ajustement serré préalable. Suite à ce processus, les deux composants, à savoir d'une part la plaque frontale 5a et d'autre part les nombreuses embases de fixation 1 de corps d'injecteurs 2a, sont assemblés de manière permanente par l'intermédiaire de zones de solution solide formée à partir de leurs matériaux respectifs et de la couche intermédiaire 3. Les injecteurs 2 présentés à la figure 2 ont été complétés. Il s'agit ici d'injecteurs à deux combustibles, avec lesquels l'oxygène très froid 0 est introduit dans la chambre de combustion B par les corps d'injecteurs 2a, tandis que l'hydrogène H chauffé à une température pouvant atteindre 10000C y est introduit par l'intermédiaire des espaces annulaires 7 qui se trouvent entre les gaines d'injecteurs 8 et les corps d'injecteurs 2a. Ceci montre bien à quelles sollicitations thermiques opposées est exposée la fixation des injecteurs, sans parler des vibrations auxquelles sont soumis les injecteurs 2. La figure 3 présente un agencement extrèmement resserré d'injecteurs monocombustible 2'. Ici, l'oxygène 0 est à nouveau introduit dans la chambre de combustion par les injecteurs 2', tandis que l'hydrogène très chaud H est injecté par les interstices 9 du réseau de têtes d'injecteurs 2'b. Cet exemple démontre avec particulièrement d'évidence la nécessité de poser des exigences de fabrication et de service particulièrement sévères en ce qui concerne la fixation des injecteurs. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fixation inamovible des injecteurs ou de leurs embases dans des évidements ou des alésages de la tête d'injection de chambres de combustion de moteurs-fusées, caractérisé en ce que la fixation inamovible des embases (1) des injecteurs (2 ou 2') dans la tête d'injection (5) est effectuée par soudage par diffusion en fixant, avant le soudage par diffusion, avec un ajustement serré garantissant le processus de diffusion ultérieur, les embases (1) notamment cylindriques dans des alésages (4) correspondants, à surface densifiée, pratiqués dans la tête d'injection .(5), le diamètre extérieur des embases (1) étant, par l'application d'une couche intermédiaire (3) nécessaire pour le soudage par diffusion ultérieur, amené à la surcote (d ) nécessaire par rapport au diamètre intérieur (D) des alésages (4) pour produire l'ajustement serré, et la tête d'injection (5) étant chauffée à la température de montage permettant l'introduction des embases (1) relativement froides dans les alésages (4), puis en chauffant la tête d'injection (5) munie des injecteurs (2 ou 2') ou de leurs embases (1), et éventuellement entretemps refroidie, à la température nécessaire pour le soudage par diffusion, température qui est maintenue notamment jusqu'à la dissolution du matériau de la couche intermédiaire (3) ou jusqu'à sa diffusion complète dans les éléments voisins (5 et 2), à la suite de quoi la tête d'injection (5) encore chaude munie des injecteurs (2 ou 2') est refroidie à la température ambiante à une rapidité telle qu'il s'ensuit une amélioration de structure en vue d'un accroissement de la résistance. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une tête d'injection (5) réalisée en acier au nickel et des injecteurs (2 ou 2') réalisés dans le même matériau, la température de montage à laquelle est amenée la tête d'injection (5) pour l'introduction des embases (1) dans ses alésages (4) est de 250 à 6000C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température de soudage par diffusion est de 970 à 11200C lorsqu'on emploie de l'or comme matériau pour la couche intermédiaire (3), et de 920 à 9800C lorsqu'on emploie du nickel-phosphore. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents injecteurs (2) ou leurs embases (1) sont introduits simultanément dans les alésages (4) de la tête d'injection (5) à l'aide d'un dispositif de montage.