Brevet FR2826406A1 — publié le 20021227

réunies en un câblage commun (26). 1 2826406 Elément d'injection pour un moteur-fusée L' invention concerne un élément d' injection pour un moteur-fusée comportant un dispositif tourbillonnant et un diviseur d'écoulement. Des éléments d' injection servent, dans un moteur- fusée, à la préparation de mélange pour obtenir une combustion optimale du combustible. Pour influencer la combustion, il est connu de conférer un moment de rotation à un flux d'oxydant amené à la chambre de combustion, et à cet effet, on met en _uvre dans l'élément d' injection un insert de rotation, appelé aussi "dispositif tourbillonnant". Il est en outre connu de diviser, au moyen d'un diviseur d'écoulement pourvu de perçages, le flux de combustible d'un tel élément d' injection, amené séparément à la chambre de combustion, en plusieurs flux individuels répartis sur la périphérie du canal d'amenée (DE-C1-43 004 154). L' invention a pour objectif de créer un élément d' injection qui divise un flux de combustible amené à une chambre de combustion et qui injecte les deux flux partiels séparément dans la chambre de combustion. Cet objectif est atteint selon l' invention par le fait que, dans l'élément d'ingection, un moment de rotation est appliqué par le dispositif tourbillonnant au flux de combustible amené, par le fait que le flux de combustible mis en tourbillonnement est divisé dans un canal de sortie primaire et dans un canal de sortie secondaire en un écoulement primaire en cône creux et en un écoulement secondaire en cône creux, et par le fait qu'il est injecté dans la chambre de combustion avec différents angles d'ingection. D'autres perfectionnements de l' invention ressortent des documents de la demande. La solution selon l' invention est basée sur la division d'un flux de combustible mis en tourbillonnement 2 2826406 au moyen d'un diviseur d'écoulement dans l'élément d' injection conçu à cet effet. La division du flux de combustible mis en tourbillonnement a lieu, selon l' invention, de telle sorte que le flux de combustible est injecté dans la chambre de combustion avec deux écoulements en cône creux ccaxiaux l'un par rapport à l'autre. Grâce à un dimensionnement correspondant de l'élément d'injection, on peut avantageusement obtenir une préparation de gouLtelettes avec différentes tailles de gouLtelettes dans les deux écoulements en cône creux, celle-ci permettant des zones de combustion partielles avec différents comportements de combustion ou une combustion par étapes du combustible. Grâce à la réalisation des deux écoulements en cône creux, on peut former dans la chambre de combustion des mélanges de combustible adaptés aux applications respectives. Un autre avantage consiste en ce que la solution selon l' invention, en comparaison avec des diviseurs d'écoulement qui divisent les écoulements au moyen de perçages, permet d' influencer la taille des gouttelettes, grâce à quoi il est possible de réduire avantageusement le volume de la chambre de combustion. En outre, l'élément d' injection selon l' invention a des effets stabilisants sur des oscillations dans le processus de combustion puisque la combustion a lieu dans une région relativement grande et que, par conséquent, une partie seulement de la zone de combustion peut contribuer à renforcer des oscillations qui se produisent. Cet avantage peut aussi être exploité dans des chambres de combustion principales avec plusieurs éléments d' injection pour amortir les oscillations par zones. En ce qui concerne les rapports de mélange prédéterminés, on peut mettre en _uvre avantageusement l ' élément d' injection selon l' invention dans un ample domaine de fonctionnement. La solution selon l' invention peut aussi être utilisée avantageusement dans des générateurs de gaz et des micropropulseurs. Dans des générateurs de gaz avec un mélange de combustible qui diverge fortement du rapport de mélange st_chiométrique, les écoulements en cône creux selon l' invention sont avantageux puisque, dans une zone de combustion formoe par l'écoulement primaire en cône creux, les conditions thermochimiques pour la combustion peuvent être créées, et l'amenée excédentaire de combustible, effectuce dans le but de réduire la température, peut avoir lieu dans une zone de combustion formée par l'écoulement secondaire en cône creux. Les micropropulseurs sont généralement équipés d'un seul élément d' injection et en raison du refroidissement dans la chambre de combustion, qui manque dans ces propulseurs, ils requièrent une plage de basse température près de la paroi qui, selon l' invention, est réglable grâce à une préparation de mélange adaptée dans la zone de combustion formoe par l'écoulement primaire en cône creux. Un exemple de réalisation de l' invention sera expliqué ci-après en détail à l' aide des dessins. Ceux-ci montrent: A la figure 1, une représentation en coupe d'un élément d' injection selon l' invention, A la figure 2, une vue en perspective du dispositif tourbillonnant de l'exemple de réalisation, A la figure 3, une vue en perspective du diviseur d'écoulement de l'exemple de réalisation, A la figure 4, une variante de réalisation avec un canal de sortie secondaire raccourci, 4 2826406 A la figure 5, une variante de réalisation avec un canal de sortie primaire raccourci, A la figure 6, une variante de réalisation avec un dispositif tourbillonnant à agencement axial pour l' injection d'un composant de combustible additionnel, et A la figure 7, une variante de réalisation avec un diviseur d'écoulement à agencement coaxial, pour l'ingection d'un composant de combustible additionnel via des percages. L'élément d' injection 1 montré à la figure 1 présente un canal d'entrée 2 axial, un canal de sortie primaire 11 et un canal de sortie secondaire 12. Dans le canal d'entrée 2 sont mis en place un dispositif tourbillonnant 2 et un diviseur d'écoulement 4. Un moment de rotation est conféré au moyen du dispositif tourbillonnant 3 au combustible liquide amené dans le canal d'entrée 2, avant qu'il soit divisé par le diviseur d'écoulement 4 à la sortie du dispositif tourbillonnant 3 sur les deux canaux de sortie 11, 12. Le moment de rotation appliqué par le dispositif tourbillonnant 3 au flux de combustible liquide a pour effet que les flux partiels dans les canaux de sortie 11,12 sont guidés sous forme d'écoulements en films 13, 14 proches des parois et sont injectés sous forme d'écoulement primaire en cône creux 5 et d'écoulement secondaire en cône creux 6, associés coaxialement l'un par rapport à l'autre, dans la chambre de combustion avec différents angles d'injection a1, a2. Une répartition typique de masse pour les écoulements en cône creux 5 et 6 injectés dans la chambre de combustion est représentée par le diagramme 7 à la figure 1. Le dispositif tourbillonnant 3 montré à la figure 2 présente par exemple quatre rainures 8 réparties réqulièrement sur la périphérie, avec une section 2826406 traneversale de rainure 9 de forme trapézoïdale et un angle d'inclinaison p. Différemment de l'exemple de réalisation montré, on peut aussi réaliser pour la solution selon l' invention des dispositifs tourbillon nants avec moins ou plus de quatre rainures 8, avec d'autres sections transversales de rainure 9, par exemple avec une section transversale rectangulaire, et avec un angle d'inclinaison plus fort ou plus plat. Le diviseur d'écoulement 4 montré à la figure 3 est réalisé sous forme d' insert en forme d'entonnoir avec quatre orifices de séparation 10 et un canal de sortie secondaire 12 intégré. Le flux primaire en cône creux 5 est constitué par la part du flux de combustible qui passe à travers les quatre orifices de séparation 10 jusque dans le canal de sortie primaire 11; l'écoulement secondaire en cône creux 6 est constitué par la part du flux de combustible qui parvient dans le canal de sortie secondaire 12 du diviseur d'écoulement 4. Le diviseur d'écoulement 4 peut présenter des configurations constructives différentes de l'exemple de réalisation montré à la figure 3; le canal de sortie secondaire 12 peut par exemple être réalisé en tant que composant séparé du diviseur d'écoulement 4. Ce qui est essentiel pour la réalisation constructive est. en plus des orifices de séparation 10, la présence d'un rétrécissement dans le diviseur d'écoulement 4 qui permet un canal de sortie secondaire 12 qui présente une section transversale plus petite que le canal de sortie primaire 11. Le nombre et le positionnement des orifices de séparation 10 sur la périphérie du diviseur d'écoulement 4 doit coïncider avec le nombre et le positionnement des rainures 8 sur la périphérie du dispositif tourbillonnant 3. Par ce nombre, on peut influencer l'uniformité de 6 2826406 l'écoulement primaire en cône creux 5 qui se produit sur la périphérie du cône. Dans le cas d'un nombre faible, par exemple de deux ou trois rainures 8 et orifices de séparation 10 respectifs, il faut s'attendre à une plus grande irréqularité en particulier dans le flux primaire en cône creux 5. Ceci peut se produire en particulier lorsque le canal de sortie primaire 11, comme montré à la figure 1, ne présente lui-même pas de rétrécissement vers la sortie. Un flux en cône creux irrégulier a certes des influences négatives sur le rendement de combustion, mais on peut toutefois obtenir d'autre part des effets stabilisants lors de la combustion. Le nombre supérieur pour les rainures 8 et les orifices de séparation 10, respectivement, est généralement d'approximativement six, des nombres plus élevés étant toutefois possibles dans des cas individuels. A la différence de l'exemple de réalisation représenté à la figure 1, dans lequel le canal de sortie primaire 11 et le canal de sortie secondaire 12 peuvent se terminer dans le plan de sortie 15 de l'élément d'injection 1, comme montré à la figure 4, le canal de sortie 11 peut être réalisé plus court et se terminer à l' intérieur de l'élément d' injection 1. Comme variante de mode de réalisation, le canal de sortie primaire 11 peut aussi présenter un rétrécissement en direction de la sortie, comme montré à la figure 5, ce qui se répercute avantageusement sur le lissage de la configuration de l' injection et permet des adaptations de l' angle d'injection a1 de l'écoulement primaire en cône creux 5. Le choix des paramètres constructifs suivants détermine la différence des angles d' injection a et a des écoulements en cône creux selon l' invention: 7 2826406 Re rayon effectif du dispositif tourbillonnant 3 n nombre de rainures 8 dans le dispositif tourUillonnant 3 angle d'inclinaison des rainures 8 r1rayon hydraulique du canal de sortie primaire 11 r2rayon hydraulique du canal de sortie secondaire 12. La conception de la construction d'éléments d'ingection 1 est caractérisée de manière connue au moyen d'un paramètre appelé "paramètre géométrique A" qui prend, pour les écoulements en cône creux selon l' invention, des valeurs dans les plages approximativement de: 1 creux 6. te paramètre A est défini comme suit: A = Re r1 sin ()/ (rn2 n) pour l'écoulement en cône creux primaire 5 ou A = Re r2 sin ()/ (rn2 n) pour l'écoulement en cône creux secondaire 6. Dans les définitions: rn signifie le rayon effectif de la section transversale de rainore, Re rayon effectif du dispositif tourbillonnant 3 angle d'inclinaison des rainures 8 dans le dispositif tourbillonnant 3 n nombre des rainures 8 dans le dispositif tourbillonnant 3 8 2826406 r1 rayon hydraulique du canal de sortie primaire 11 r2 rayon hydraulique du canal de sortie secondaire 12. La solution selon l' invention peut, comme décrit ci-dessus, être utilisée non seulement à titre d'élément d'injection 1 agissant isolément, mais aussi dans des systèmes d'injection avec des éléments d'injection additionnels à agencement coaxial. Les figures 6 et 7 montrent chacune un exemple de réalisation pour ces solutions. A la figure 6, un composant de combustible additionnel 17 est injecté dans la chambre de combustion avec un troisième écoulement en cône creux 19, additionnellement à l'écoulement primaire en cône creux 5 et à l'écoulement secondaire en cône creux 6. Le troisième écoulement en cône creux 19 est engendré avec un dispositif tourbillonnant qui, agencé axialement, tourne autour de l'élément d'injection 1. Dans la figure 7, le composant de combustible additionnel 17 est divisé en des rayons 21 individuels via plusieurs perçages 20 et ingecté dans la chambre de combustion. Les perçages 20 entourent l'élément d'ingection 1. REVENDICATIONS 1. Elément d'injection (1) pour un moteur-fusée comportant un dispositif tourbillonnant (3) et un diviseur d'écoulement (4), caractérisé en ce que dans l'élément d'ingection (1) un moment de rotation est appliqué par le dispositif tourUillonnant (3) au flux de combustible amené, en ce que le flux de combustible mis en tourbillonnement est divisé dans un canal de sortie primaire (11) et dans un canal de sortie secondaire (12) en un écoulement primaire en cône creux (5) et un écoulement secondaire en cône creux (6) et en ce qu'il est ingecté dans la chambre de combustion avec différents angles d'injection (al, a2) 2. Elément d'injection (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre géométrique A de l'élément d'ingection (1) présente des valeurs dans la plage d' environ 1 A 3. Elément d' injection (1) selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre des rainures (8) dans le dispositif tourbillonnant (3) est de préférence approximativement de deux à six. 4. Elément d' injection (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les rainures (8) du dispositif tourbillonnant (3) présentent une section transversale (9) rectangulaire ou trapézoïdale. 5. Elément d' injection (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diviseur d'écoulement (4) est constitué sous forme d' insert en forme d'entonnoir avec un canal de sortie secondaire (12) 2826406 rétréci intégré et avec des orifices de séparation (10) pour la division du flux de combustible. 6. Elément d'ingection (1) selon la revendication , caractérisé en ce que le nombre et le positionnement des orifices de séparation (10) sur la périphérie du diviseur d'écoulement (4) coïncident au nombre et au positionnement des rainures (8) sur la périphérie du dispositif tourbillonnant (3). 7. Elément d'injection (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le canal de sortie secondaire (12) se termine en amont du plan de sortie (15) de l'élément d'injection (1). 8. Elément d'injection (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le canal de sortie primaire (11) présente un rétrécissement (16) vers la sortie. 9. Elément d'injection (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément d' injection (1) est entouré d'un dispositif tourbillonnant à agencement ccaxial, avec lequel un composant de combustible (17) additionnel est injecté dans la chambre de combustion sous forme d'un troisième écoulement en cône creux (19). 10. Elément d'injection (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément d'injection (1) est entouré d'un diviseur d'écoulement à agencement coaxial, avec lequel un composant de combustible (17) additionnel est injecté dans la chambre de combustion via des percages (20).