Brevet FR2745605A1 — publié le 19970905

La présente invention concerne un dispositif d'injection de combustible pour statoréacteur d'aéronef à vol supersonique et/ou hypersonique, destiné à fonctionner sur une large plage de vitesses. La plage de vitesses envisagée se situe ainsi, typiquement, entre des nombres de Mach de 1-2 à 15-20 (on pourrait envisager une participation à la poussée à Mach 0,8 par exemple). Les statoréacteurs sont des moteurs utiles pour assurer la propulsion d'aéronefs évoluant sur une large plage de vitesses avec une faible consommation spécifique. Le combus- tible utilisé usuellement pour les applications à hautes vitesses est l'hydrogène, qui est injecté généralement sous forme gazeuse. Des hydrocarbures, au pouvoir calorifique plus faible mais à densité plus forte, peuvent également être utilisés sur une partie du domaine de vol. Toutefois, la bonne répartition du combustible dans toute la veine, le mélange optimal, l'allumage correct et la stabilisation de la combustion nécessitent des dispositifs d'injection performants aussi bien dans le cas d'une combustion subsoni- que que dans le cas d'une combustion supersonique. Les phénomènes associés à ces deux modes de combustion étant différents, les géométries d'injection associées sont souvent différentes. De plus, pour fonctionner sur une large plage de vol, un statoréacteur supportant les deux modes de combustion, subsonique et supersonique, doit permettre leur transition. Celle-ci nécessite généralement une modification mécanique de la géométrie du corps du statoréacteur et du dispositif d'injection. Cela peut, bien entendu, présenter des difficultés de mise en oeuvre, tant à la fabrication qu'en service. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et concerne un dispositif d'injection assurant une transi- tion aérodynamique, et non plus mécanique, entre la combus- tion subsonique et la combustion supersonique. A cet effet, le dispositif d'injection de combustible pour statoréacteur d'aéronef à vol supersonique et/ou hyperso- nique, destiné à fonctionner sur une large plage de vi- tesses, ledit statoréacteur comprenant, dans un corps d'axe longitudinal X-X, une entrée de comburant et, en aval de o10 celle-ci, dans le sens d'écoulement du jet de gaz, une chambre de combustion, dans laquelle est effectué le mélange comburant-combustible destiné à être brûlé, et une tuyère destinée à canaliser les gaz sortant de la chambre de combustion, et ledit dispositif d'injection de combustible étant prévu au niveau de ladite chambre de combustion, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'il comporte au moins un injecteur ayant une structure présentant une pluralité de parois espacées les unes des autres, s'étendant généralement suivant l'axe longitudinal X-X du corps de statoréacteur, l'injection de combustible étant susceptible d'avoir lieu, d'une part, dans chaque espace formé par deux parois adjacentes de ladite pluralité de parois et, d'autre part, à l'extrémité aval de ladite structure. Ainsi, le pilotage des différents régimes de combustion peut être effectué, sans avoir recours à des pièces mobiles (transition mécanique), au niveau du dispositif d'injection, en jouant simplement sur la répartition du débit de combus- tible injecté dans les espaces entre des parois adjacentes de ladite structure (injection dite "primaire") et à l'ex- trémité aval de cette dernière (injection dite "secon- daire"). Selon un premier exemple de réalisation, lesdites parois forment, deux à deux, les ailes d'un élément profilé sensiblement sous forme de U en section transversale, des premiers orifices d'injection débouchant sur la face supé- rieure de l'âme dudit élément profilé, et des seconds orifices d'injection débouchant à l'extrémité aval libre dudit élément profilé. De préférence, l'âme dudit élément profilé est inclinée de l'amont vers l'aval de ladite structure de façon à former une section transversale dudit élément profilé d'aire maximale à l'extrémité aval de celui-ci, et lesdits premiers orifices d'injection sont situés au voisinage de la partie amont de ladite âme. Selon un autre exemple de réalisation, ladite pluralité de parois est constituée de parois parallèles et espacées les unes par rapport aux autres, des premiers orifices d'injec- tion débouchant sur les faces en regard de deux parois adjacentes et des seconds orifices d'injection débouchant à l'extrémité aval libre desdites parois. Avantageusement, lesdites parois s'étendent au moins sensi- blement parallèlement aux faces latérales du corps de statoréacteur ou au moins sensiblement parallèlement aux faces supérieure et inférieure de celui-ci. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des réfé- rences identiques désignent de éléments semblables. La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un statoréacteur équipé d'un exemple de réalisation du dispo- sitif d'injection selon l'invention. La figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un injecteur selon l'invention. La figure 3 est une coupe longitudinale selon la ligne III-III de la figure 2. Les figures 4A, 4B et 4C sont, respectivement, une vue en perspective, une vue de dessus, et une vue en coupe longi- tudinale selon la ligne IV-IV de la figure 4A, d'un autre exemple de réalisation d'un injecteur selon l'invention. Les figures 5A et 5B illustrent, en coupe, le fonctionnement du statoréacteur, au niveau du dispositif d'injection, en combustion subsonique et en combustion supersonique, res- pectivement. Le dispositif d'injection de combustible selon l'invention est destiné à équiper un statoréacteur d'aéronef à vol supersonique et/ou hypersonique adapté pour fonctionner sur une large plage de vitesses, soit d'un nombre de Mach de 1-2 à 15-20. Le statoréacteur 1, représenté schématiquement sur la figure 1, comprend dans un carter ou enveloppe 2: - une entrée de comburant 3, notamment une prise d'air, en amont du moteur, destiné à être implanté sous l'intrados du fuselage de l'aéronef associé au statoréacteur, - un dispositif d'injection de combustible 4, prévu en aval de l'entrée de comburant 3, le carter ou enveloppe 2 enfermant, de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement du jet symbolisé par la flèche F sur les figures, une chambre de combustion 5, contenant le dispositif d'injection, dans laquelle est effectué le mélange comburant-combustible destiné à être brûlé, et une tuyère 6 présentant un col destinée à canaliser les gaz sortant de la chambre de combustion. Plus particulièrement, comme on le voit sur la figure 1, le dispositif d'injection de combustible 4 comporte des injecteurs 7 ayant une structure (mât) présentant, comme on le voit mieux sur les figures 2 et 4A, une pluralité de parois 8 espacées les unes des autres, s'étendant générale- ment suivant l'axe X-X du corps 2 du statoréacteur, l'injec- tion de combustible pouvant avoir lieu, d'une part, dans chaque espace 9 formé par deux parois adjacentes 8 et, d'autre part, à l'extrémité aval de ladite structure (culot du mât). Dans un premier exemple de réalisation de l'injecteur 7, illustré par la figure 1 et les figures 2 et 3, les parois 8 forment, deux à deux, les ailes d'un élément profilé 10 sensiblement sous forme de U en section transversale, des premiers orifices d'injection 11 (injection primaire) débouchant sur la face supérieure 12A de l'âme 12 de l'élé- ment profilé 10 et des seconds orifices d'injection 13 (injection secondaire) débouchant à l'extrémité aval libre de l'élément profilé (culot du mât). Comme on le voit sur les figures, l'âme 12 de l'élément profilé 10 est inclinée de l'amont vers l'aval de la struc- ture de façon à former une section transversale de l'élément profilé d'aire maximale à l'extrémité aval (libre) de celui-ci. Les premiers orifices d'injection 11 sont situés au voisinage de la partie amont de l'âme 12. Dans un second exemple de réalisation de l'injecteur 7, illustré par les figures 4A à 4C, la pluralité de parois est constituée de parois 8 parallèles et espacées les unes par rapport aux autres, formant pour ainsi dire les dents d'un peigne. Dans ce cas, des premiers orifices d'injection 14 (injection primaire) débouchent sur les faces en regard 8A de deux parois adjacentes 8 et des seconds orifices d'in- jection 15 débouchent à l'extrémité aval libre (culot) desdites parois 8. On remarquera que, sur les figures, les parois 8 sont au moins sensiblement parallèles aux faces latérales du corps 2 du statoréacteur. Elles pourraient être également orthogo- nales auxdites faces. La figure 5A illustre le fonctionnement du statoréacteur 1 en combustion subsonique. L'allumage du combustible injecté à partir des premiers orifices d'injection 11 entraîne la formation d'un choc normal C en amont (voir également la figure 4C). La stabilisation et le contrôle de l'onde de choc normale est réalisée en jouant sur le col (mobile) de la tuyère 6 (en traits interrompus sur la figure 1). La figure 5B illustre le fonctionnement du statoréacteur 1 en combustion supersonique. L'injection longitudinale à l'extrémité aval de l'injecteur 7 (seconds orifices d'in- jection 13) entraîne la formation d'une combustion superso- nique stabilisée notamment par l'onde de choc oblique C'. Le dispositif d'injection selon l'invention permet ainsi une transition aérodynamique entre les deux régimes de combus- tion, une injection de faible débit engendrant si nécessaire le blocage de l'écoulement initiant le choc droit conduisant à l'écoulement subsonique dans la chambre de combustion. Un débit très faible peut permettre de créer avantageusement des zones facilitant l'allumage, sans pour autant initier de choc droit. En d'autres termes, sous certaines conditions de fonctionnement, pour assurer si nécessaire l'allumage lors de la combustion supersonique, les premiers orifices d'in- jection peuvent être avantageusement alimentés avec un débit très faible mais non nul afin de créer des zones (très localisées) à plus haute température permettant l'allumage, sans créer le choc droit C de la figure 5A, l'écoulement restant globalement supersonique comme visible sur la figure B. En fait, l'injection entre les parois 8 de la structure 7 définie ci-dessus entraîne un écoulement extrêmement com- plexe qui dépend fortement des interactions entre les structures de choc tridimensionnelles, et la couche limite présente une influence importante. Sans une telle injection, l'écoulement (supersonique) issu d'une telle géométrie induit d'excellentes conditions pour l'allumage: faible vitesse, conditions thermodynamiques (pression, température) élevées. Il suffit alors d'injecter le combustible au culot des mâts (de section relativement peu importante) pour obtenir une combustion supersonique satisfaisante. Comme on l'a vu, les injecteurs montrés comme exemples utilisent tous une injection au culot des mâts. Cependant, quand on injecte du combustible dans la structure 7 de géométrie particulière décrite ci-dessus, l'apport de masse, l'allumage, et la combustion qui naissent dans la zone interne provoquent une modification très importante de la conformation de l'écoulement. Comme schématisé sur les figures, il apparaît une onde de choc puissante, qui aug- mente, de façon très importante, la pression et la tempéra- ture et conduit à la formation d'une onde de choc normale et stable. La pénétration du jet injecté dans cette zone augmente notablement, même s'il s'agit d'un combustible liquide (à cet égard, il convient de noter qu'outre l'hydro- gène d'autres combustibles peuvent être utilisés avec ce type d'injecteur, comme le kérosène ou le méthane). La combustion qui a ensuite lieu dans la chambre de combustion est alors subsonique. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection de combustible pour statoréacteur (1) d'aéronef à vol supersonique et/ou hypersonique, destiné à fonctionner sur une large plage de vitesses, ledit stato- réacteur (1) comprenant, dans un corps (2) d'axe longitudi- nal (X-X), une entrée de comburant (3) et, en aval de celle-ci, dans le sens d'écoulement du jet de gaz, une chambre de combustion (5), dans laquelle est effectué le mélange comburant-combustible destiné à être brûlé, et une tuyère (6) destinée à canaliser les gaz sortant de la10 chambre de combustion, et ledit dispositif d'injection de combustible (4) étant prévu au niveau de ladite chambre de combustion (5), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un injecteur (7) ayant une structure présentant une pluralité de parois (8)15 espacées les unes des autres, s'étendant généralement suivant l'axe longitudinal (X-X) du corps (2) de stato- réacteur (1), l'injection de combustible étant susceptible d'avoir lieu, d'une part, dans chaque espace (9) formé par deux parois (8) adjacentes de ladite pluralité de parois et,20 d'autre part, à l'extrémité aval de ladite structure (7). 2. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parois (8) forment, deux à deux, les ailes d'un élément profilé (10) sensiblement sous forme de U en section transversale, des premiers orifices25 d'injection (11) débouchant sur la face supérieure (12A) de l'âme (12) dudit élément profilé (10), et des seconds orifices d'injection (13) débouchant à l'extrémité aval libre dudit élément profilé (10). 3. Dispositif d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme (12) dudit élément profilé (10) est inclinée de l'amont vers l'aval de ladite structure de façon à former une section transversale dudit élément profilé (10) d'aire maximale à l'extrémité aval de celui- ci, et en ce que lesdits premiers orifices d'injection (11) sont situés au voisinage de la partie amont de ladite âme (12). 4. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pluralité de parois est cons- tituée de parois (8) parallèles et espacées les unes par rapport aux autres, des premiers orifices d'injection (14) débouchant sur les faces en regard de deux parois (8) adjacentes et des seconds orifices d'injection (15) débou- chant à l'extrémité aval libre desdites parois (8). 5. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites parois (8) s'étendent au moins sensiblement parallèlement aux faces latérales du corps (2) du statoréacteur. 6. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites parois (8) s'étendent au moins sensiblement parallèlement aux faces supérieure et inférieure de corps (2) du statoréacteur.