Brevet FR2807109A1 — publié le 20011005

La présente invention concerne un élément d'injection pour un organe de combustion utilisant deux com- bustibles, comprenant un premier canal d'injection central relié à la première alimentation de combustible fournissant5 le premier combustible, et un second canal d'injection entou- rant de manière annulaire le premier canal d'injection et re- lié à la seconde alimentation de combustible fournissant le second combustible. Selon l'état de la technique US 5 660 039, on connaît un élément d'injection pour un organe de combustion utilisant deux carburants; cet élément comporte un premier canal d'injection central relié à une première alimentation de combustible pour un premier combustible et en outre un se- cond canal d'injection entourant de manière annulaire le pre- mier canal d'injection; le second canal est relié à la seconde alimentation de combustible pour le second carburant. L'élément d'injection est réalisé dans ce cas comme un élé- ment d'injection bi-coaxial; après le montage de l'élément d'injection dans un injecteur, on forme un intervalle entre une paroi d'injection fonctionnant comme plaque frontale et l'élément d'injection constituant ainsi un système d'injection tri-coaxial. Dans ce cas, il n'y a pas de liaison fixe entre la plaque frontale et l'élément d'injection. Mais un tel système peut s'utiliser dans les pe- tites chambres de combustion par exemple les générateurs à gaz dans lesquels il n'est pas indispensable de fixer la pla- que frontale. Dans le cas de plus grandes chambres de combus- tion comme par exemple les chambres de combustion principales de moteur de fusée, il est indispensable de fixer la plaque frontale sur toute la surface. La présente invention a pour but de développer un élément d'injection et une tête d'injection permettant une combustion efficace et une utilisation universelle avec une très grande solidité mécanique. A cet effet la présente invention concerne un élément d'injection du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'élément d'injection comporte un troisième canal d'injection qui entoure de manière annulaire le second canal d'injection et communique avec le premier canal d'injection. Selon l'invention, on a un élément d'injection en forme d'élément d'injection tri-coaxial contrairement à l'élément d'injection bi-coaxial connu selon l'état de la technique. On obtient ainsi un élément d'injection à trois flux de combustible qui sont tous les trois coaxiaux. L'élément d'injection est réalisé pour se monter dans un or- gane de combustion utilisant deux carburants (ils peuvent être tous deux liquides ou tous deux gazeux ou être un mé- lange gazeux/liquide) comme par exemple dans une chambre de combustion de fusée. On peut en utiliser ou conserver les architectu- res des systèmes d'injection utilisés jusqu'à présent pour recevoir cet élément d'injection à trois flux de combustible; cela simplifie considérablement l'utilisation de l'élément d'injection. Il n'est pas nécessaire de prévoir une adapta- tion spéciale de la tête d'injection comme dans le cas de l'état de la technique. De plus, grâce à cet élément d'injection on fixe la plaque frontale au corps de base de la tête d'injection, car il n'est pas nécessaire de laisser d'intervalles entre la plaque frontale et l'élément d'injection. Tous les trois flux de combustible sont formés à l'intérieur de l'élément d'injection ce qui permet une répar- tition scalaire simple du nombre d'éléments pour chaque ap- plication. Grâce à la répartition du premier combustible en deux flux (à travers le canal d'injection central et à tra- vers le canal d'injection annulaire extérieur) dans l'élément d'injection, on arrive ainsi à une meilleure régulation et un meilleur contrôle de l'élément d'injection. De plus, les con- ditions de précision relatives à la plaque frontale sont con- sidérablement plus faibles. La précision de la géométrie nécessaire au fonctionnement de l'injection s'obtient de ma- nière plus simple pour les composants de l'élément d'injection. Tout en conservant ces avantages vis-à-vis de l'état de la technique, les éléments d'injection permettent un débit massique élevé par élément d'injection ce qui réduit leur nombre et diminue ainsi le coût de fabrication, de mon- tage et d'intégration; l'injection tri-coaxiale assure une meilleure pulvérisation du combustible car entre les flux de combustible on a deux surfaces de cisaillement, parallèles,5 entre l'écoulement central et l'écoulement annulaire inté- rieur ainsi qu'entre l'écoulement annulaire intérieur et l'écoulement annulaire extérieur. Selon un développement de l'invention, le troi- sième canal d'injection communique avec le premier canal par des canaux de passage. Ces canaux de passage permettent no- tamment de commander la répartition des flux de combustible entre le troisième canal d'injection et le premier canal d'injection central, par le nombre et la taille des canaux de passage que l'on peut accorder sur la chute de pression entre le premier et le troisième canal d'injection. La répartition peut également se faire à posteriori par l'adjonction de ca- naux de passage supplémentaires ou par la fermeture de cer- tains canaux. Les canaux de passage peuvent être intégrés no- tamment dans des éléments de liaison traversant le second ca- nal d'injection. Par exemple les éléments de liaison peuvent être en forme d'entretoises qui subdivisent le second canal d'injection annulaire, au moins sur une zone partielle de sa longueur, dans le sens de l'écoulement du second combustible, en plusieurs secteurs annulaires. Les canaux de passage peuvent être de forme va- riable et s'étendent de différentes manières jusqu'au premier canal d'injection. Ainsi, les canaux de passage peuvent être dirigés par exemple radialement par rapport à la direction longitudinale du premier canal d'injection, en direction de celui-ci, ce qui constitue en général la plus courte liaison possible vers le premier canal d'injection. Mais les canaux de passage peuvent également faire un angle par rapport à la direction d'écoulement du second combustible, en direction du premier canal d'injection pour améliorer la déviation de l'écoulement à l'entrée des canaux de passage dans le premier canal d'injection, pour les diriger vers l'aval du premier canal d'injection. On peut également avoir une disposition diffé- rente des canaux de passage dans les plans radiaux. Ainsi les canaux de passage peuvent être situés dans un plan radial faisant avec la direction longitudinale du premier canal5 d'injection, un angle différent de zéro par rapport à la di- rection radiale. Ainsi, le flux de combustible à l'entrée dans le premier canal d'injection reçoit une composante de rotation. Ce moyen peut également se combiner aux autres moyens ci-dessus. Selon un autre développement, le troisième canal d'injection est relié à la première alimentation de combusti- ble et le premier canal d'injection est relié par la liaison technique d'alimentation du troisième canal d'injection, à la première alimentation de combustible. Ainsi, il n'est pas né- cessaire d'avoir une alimentation distincte en combustible vers le premier canal d'injection; celle-ci est au contraire assurée en même temps par la liaison de passage, réglée, spé- ciale à travers les canaux de passage. On peut en outre prévoir que le second canal d'injection comporte une extension au niveau de l'ouverture en aval. Cela améliore le mélange du second combustible avec les flux adjacents du premier combustible. L'élément d'injection peut comporter un manchon entourant les canaux d'injection et formant en aval des ca- naux d'injection, une chambre enveloppante de forme annulaire dans lequel débouchent les canaux d'injection. Ainsi, dès avant l'arrivée du combustible dans la chambre de réaction proprement dite, on améliore le mélange des combustibles, ce que l'on peut également réaliser en modifiant la géométrie du manchon, notamment la taille de la chambre enveloppante pour l'adapter aux conditions correspondant au mélange. La construction d'ensemble de l'élément d'injection peut se faire avec un nombre relativement réduit de pièces. L'élément d'injection peut se composer d'une pre- mière partie amont, d'une seconde partie aval et du manchon entourant en partie au moins la première et la seconde par- tie; le premier et le second canal d'injection sont réalisés dans la première et la seconde partie, et le troisième canal d'injection est réalisé entre la seconde partie et le man- chon. Les parties séparées sont alors reliées de manière ap- propriée. En particulier la première partie se réunit à la seconde partie par une soudure, une brasure ou un serrage. Le manchon peut être relié à la première partie et/ou à la se- conde partie par une soudure, une brasure ou une liaison vis- sée. Les différentes parties et/ou le manchon peuvent se fabriquer par un usinage au tour, un fraisage, une coulée de précision ou selon les techniques de la métallurgie des poudres; les canaux de passage peuvent se faire par érosion ou perçages notamment par faisceaux d'électrons ou perçages au laser. L'invention concerne également une tête d'injection comportant au moins un élément d'injection tel que celui décrit ci-dessus. La tête d'injection comporte un corps de base situé en amont et une plaque frontale en aval, l'élément d'injection étant relié solidairement au corps de base d'une part et à la plaque frontale d'autre part. Ainsi, malgré l'utilisation d'un système d'injection tri-coaxial, on aura une liaison ferme entre la plaque frontale et le corps de base grâce à l'élément d'injection. Cette liaison peut également se réaliser de manière appropriée. En particulier on peut réaliser la liaison sous la forme d'une liaison vis- 2s sée, soudée ou brasée. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté d'un élément d'injection selon l'invention, - la figure 2 est une coupe transversale, dans la direction radiale à travers l'élément d'injection de la figure 1. L'élément d'injection de la figure 1 se compose de trois parties à savoir une première partie 1 en amont, une seconde partie 3 en aval et un manchon 2 entourant complète- ment la seconde partie 3 et partiellement la première partie 1. Un tel élément d'injection peut se fabriquer sans mise en oeuvre de moyens importants et pratiquement exclusivement à la machine en appliquant les procédés usuels d'usinage. La seconde partie 3 comporte un perçage central 6 qui constitue le premier canal d'injection central. La se- conde partie 3 comporte une fente annulaire 4 formant la par- tie en aval d'un second canal d'injection entourant de manière annulaire le premier canal d'injection 6. Cet inter- valle annulaire 4 s'élargit vers l'extrémité en aval. La par- tie amont du second canal d'injection 4 est formée par un seul perçage qui s'étend axialement par le haut dans le pre- mier élément 1 et s'élargit au passage vers le second élément jusqu'au diamètre extérieur de l'intervalle annulaire. Ce perçage peut comporter un diaphragme pour définir le débit massique. Ce perçage est de préférence coaxial à l'intervalle15 annulaire en aval. Le perçage est relié à l'alimentation de combustible 8 fournissant un second combustible. La première partie 1 est vissée avec son filetage 14 dans le manchon 2 si bien qu'en même temps la première partie 1 est serrée contre la seconde partie 3; cette der- nière est logée par une liaison de forme comme le montre la figure 1 dans le manchon 2 et est bloquée par des saillies correspondantes 15 et peut sortir en glissant vers l'aval hors du manchon 2. Le manchon 2 s'étendant vers l'aval au- delà de la seconde partie 3 et forme ainsi un volume annu- laire 11 ouvert dans lequel débouchent les canaux d'injection 4 et 6. On réalise ainsi un premier mélange des combustibles dans un volume défini 11. Un autre intervalle annulaire 5 est formé entre le manchon 2 et la seconde partie 3; ce volume fonctionne comme troisième canal d'injection débouchant également dans le volume 11. Celui-ci est relié par des canaux de passage 7, radiaux au premier canal d'injection 6; les canaux de pas- sage 7 comportent plusieurs perçages radiaux dans les entre- toises radiales 10 traversant le second canal d'injection 4 sur une partie de sa longueur en le subdivisant ainsi en plu- sieurs secteurs annulaires. La forme et la disposition des secteurs annulaires sont choisies pour avoir une répartition homogène du combustible le long de la périphérie de l'intervalle annulaire. La figure 2 explicite la disposition et la forme particulière de cette section. Les secteurs annu- laires et les canaux de passage peuvent se réaliser notamment par fraisage, érosion ou film et perçage par faisceaux d'électrons. Le troisième canal d'injection 5 comporte une ouverture radiale qui peut être reliée à l'alimentation en combustible 9 correspondant au premier combustible. La figure 1 montre également le corps de base 13 de la tête d'injection et une plaque frontale 12 auquel l'élément d'injection est relié solidairement, par exemple par vissage dans le corps de base 13 et vissage sur la plaque frontale 12. Le fonctionnement de l'élément d'injection sera brièvement décrit ciaprès. Le second combustible arrive du haut, axialement à travers le perçage dans le premier élément 1. Il circule autour de la partie centrale de la seconde par- tie 3 et traverse l'intervalle annulaire intérieur qui fait partie du second canal d'injection 4 et arrive finalement dans le volume annulaire 11. Le premier combustible traverse latéralement un ou plusieurs per, çages du manchon 2, de l'extérieur vers l'intérieur pour arriver dans le troisième canal d'injection 5. Une certaine partie du premier combusti- ble traverse le canal d'injection 5 et arrive en aval dans la chambre 11. La partie restante du combustible passe du troi- sième canal d'injection 5 à travers les canaux de passage 7, latéralement dans le canal d'injection central 6 de la se- conde partie 3 et de là il se poursuit également dans le vo- lume 11. Enfin dans le volume ou chambre 11 on a un premier mélange des combustibles favorisé par la disposition tri- coaxiale et par l'élargissement du second canal d'injection 4 au niveau de la chambre 11. R E V E N DI C A T I ON S 1 ) Elément d'injection pour un organe de combustion utili- sant deux combustibles comprenant, - un premier canal d'injection (6) central relié à la pre- mière alimentation de combustible (9) fournissant le pre- mier combustible, et - un second canal d'injection (4) entourant de manière annu- laire le premier canal d'injection (6) et relié à la se- conde alimentation de combustible (8) fournissant le second combustible, caractérisé en ce que l'élément d'injection comporte un troisième canal d'injection (5) qui entoure de manière annulaire le second canal d'injection (4) et communique avec le premier canal d'injection (6). 2 ) Elément d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième canal d'injection (5) communique avec le premier canal d'injection par des canaux de passage (7). 3 ) Elément d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que les canaux de passage (7) sont intégrés à des éléments de liaison (10) traversant le second canal d'injection (4). 4 ) Elément d'injection selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments de liaison (10) sont des entretoises qui subdi- visent au moins sur une partie de sa longueur le second canal d'injection (4), annulaire, en direction de circulation du second combustible en formant plusieurs secteurs annulaires. ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce que les canaux de passage (7) sont dirigés radialement par rap- port à l'extension longitudinale du premier canal d'injection (6) en direction de ce premier canal d'injection (6). 6 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisé en ce que les canaux de passage (7) font un angle par rapport à la di- rection d'écoulement du second combustible, en étant inclinés en direction du premier canal d'injection (6). 7 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4 ou 6, caractérisé en ce que les canaux de passage (7) sont dans un plan radial par rap- port à la direction longitudinale du premier canal d'injection (6) en faisant par rapport à la direction radiale un angle différent de zéro. 8 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que le troisième canal d'injection (5) peut être relié à la pre- mière alimentation de carburant (9) et le premier canal d'injection (6) peut être relié par le raccord technique d'alimentation du troisième canal d'injection (5), à la pre- mière alimentation en carburant (9). 9 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que le second canal d'injection (4) présente une extension dans la zone de l'ouverture en aval. 10 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément d'injection comporte un manchon (2) qui entoure les canaux d'injection (4, 5, 6) et qui forme en aval des canaux d'injection (4, 5, 6), une chambre annulaire (11) envelop- pante dans laquelle débouchent les canaux d'injection (4, 5, 6). 11 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 10, caractérisé en ce que l'élément d'injection est formé par une première partie (1) en amont, une seconde partie (3) en aval et un manchon (2) entourant au moins partiellement la première et la seconde partie (1, 3), le premier et le second canal d'injection (6, 4) étant réalisés dans la première et la seconde partie (1, 2) et le troisième canal d'injection (5) est réalisé entre la seconde partie (3) et le manchon (2). 12 ) Elément d'injection selon la revendication 11, caractérisé en ce que la première partie (1) est reliée à la seconde partie (3) par une soudure, une brasure ou une liaison serrée. 13 ) Elément d'injection selon l'une quelconque des revendi- cations 11 ou 12, caractérisé en ce que le manchon (2) est relié à la première partie (1) et/ou à la seconde partie (3) par une soudure, une brasure ou une liai- son vissée. 14 ) Tête d'injection comportant au moins un élément d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu' elle comporte un corps de base (13) en amont et une plaque frontale (12) en aval, l'élément d'injection étant relié so- lidairement au corps de base (13) d'une part et à la plaque frontale (12) d'autre part. ) Tête d'injection selon la revendication 14, caractérisée en ce que la liaison est une liaison vissée, soudée ou brasée. 16 ) Procédé de fabrication d'un élément d'injection selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la première partie (1) et/ou la seconde partie (3) et/ou le manchon (2) sont fabriqués par usinage au tour, fraisage, coulée de précision ou métallurgie des poudres. 17 ) Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que les canaux de passage (7) sont réalisés par érosion ou perça- ges notamment perçages par faisceaux d'électrons ou perçages par laser.