Brevet FR2944062A1 — publié le 20101008

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des injecteurs d'ergols. L'un des domaines d'application de l'invention est celui des générateurs de gaz et des chambres de combustion de moteurs-fusées. Dans le cadre des moteurs-fusées à ergols cryogéniques, le rendement de combustion dans les chambres de combustion et les générateurs de gaz est généralement optimisé grâce au recours à une pluralité d'injecteurs à faible débit qui sont répartis uniformément sur une plaque d'injection. Afin de limiter le nombre d'injecteurs et de réduire ainsi le coût de fabrication du générateur de gaz et de la chambre de combustion d'un moteur-fusée à ergols cryogéniques, il est également connu d'utiliser des injecteurs dits � à débit élevé �. Typiquement, de tels injecteurs présentent une structure annulaire permettant la formation de plusieurs jets coaxiaux adjacents l'un à l'autre qui autorisent un fonctionnement pour des débits élevés. Par exemple, le brevet US 5,660,039 décrit une configuration d'un injecteur de ce type. Un tel injecteur à structure tricoaxiale comprend notamment plusieurs éléments d'injection formés chacun d'un canal central d'injection d'un premier ergol, une première fente annulaire entourant ce canal central pour l'injection d'un second ergol, et une seconde fente annulaire entourant la première fente et alimentée par le premier ergol. Cet injecteur fonctionne parfaitement pour les débits élevés et présente l'avantage d'améliorer la sécurité de l'injecteur tout en procurant un profil de température relativement homogène. Toutefois, pour une même compacité de la chambre de combustion, le rendement de combustion d'un injecteur à structure tricoaxiale tel que décrit dans le brevet US 5,660,039 n'est pas toujours parfait. En particulier, avec ce type d'injecteur, le mélange des ergols et des gaz de combustion n'est pas optimal.35 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un injecteur d'ergols comportant un corps de révolution autour d'un axe de symétrie, ce corps étant muni de plusieurs éléments d'injection alimentés chacun par un ergol, les éléments d'injection étant d'axes parallèles à l'axe de symétrie et débouchant à une extrémité aval dans un organe de combustion, l'organe de combustion comprenant une paroi annulaire qui est centrée sur l'axe de symétrie et raccordée à l'extrémité aval du corps de révolution, l'injecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bol aérodynamique centré sur l'axe de symétrie, fixé à l'extrémité aval du corps de révolution et s'évasant vers l'aval à l'intérieur de l'organe de combustion. La présence d'un bol aérodynamique et d'un raccordement entre le corps de l'injecteur et la paroi annulaire de l'organe de combustion permet dans un premier temps de forcer la flamme de combustion à s'ouvrir vers la paroi de l'organe de combustion, le gaz imbrûlé externe se trouvant accéléré entre la flamme et la paroi de l'organe de combustion. Dans un second temps, la flamme de combustion re-circule dans l'organe de combustion. Il en résulte une amélioration du mélange aérodynamique des gaz de combustion tout en obtenant une bonne stratification en température en sortie de l'organe de combustion. Par ailleurs, l'amélioration du mélange aérodynamique des gaz de combustion permet de réduire considérablement les tolérances de fabrication de l'injecteur. Notamment, dans l'application à un injecteur à structure tricoaxiale, les exigences en termes de variation d'épaisseur de fentes à oxygène liquide (LOX) peuvent être réduites. Pour ce type d'architecture d'injecteur, il est alors possible d'atteindre de très forts débits et de baisser les coûts de fabrication. L'organe de combustion de l'injecteur peut être un tube de confinement. Alternativement, l'organe de combustion peut être une chambre annulaire de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments d'injection comprennent un canal central d'injection centré sur l'axe de symétrie et alimenté par un premier ergol, une première fente annulaire d'injection entourant le canal central et alimentée par un second ergol et une seconde fente annulaire d'injection entourant la première fente et alimentée par le premier ergol. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un injecteur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessous de l'injecteur de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en perspective et en écorché de l'injecteur de la figure 1. Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention est applicable de façon non limitative à différents types d'injecteurs, notamment aux injecteurs des générateurs de gaz et des chambres de combustion de moteurs-fusées à ergols cryogéniques tels que celui représenté sur les figures 1 à 3. Bien entendu, l'invention pourrait également être appliquée à des tubes à flamme à combustion aérobie, aux incinérateurs ou encore aux chambres de combustion de turbomachines aéronautiques. Dans la description qui suit, les termes � amont � et � aval � sont à comprendre par rapport à la direction générale d'écoulement des ergols et des gaz de combustion au travers de l'injecteur. Les figures 1 à 3 représentent donc de façon très schématique un injecteur d'ergols 10 qui est notamment utilisé dans les générateurs de gaz et les chambres de combustion de moteurs-fusées. L'injecteur 10 représenté sur ces figures est plus particulièrement du type à structure tricoaxiale. On pourra se référer au document de brevet US 5,660,039 qui décrit en détails un exemple d'architecture d'un tel injecteur. L'injecteur 10 comprend principalement un corps 12 de révolution autour d'un axe de symétrie 14 qui est aussi l'axe de symétrie de l'organe de combustion 16 dans lequel les ergols injectés sont brûlés. Le corps 12 de l'injecteur est muni d'une pluralité d'éléments d'injection d'ergols dans l'organe de combustion 16. Dans l'exemple d'injecteur décrit ici, ces éléments d'injection de l'injecteur comprennent un canal central d'injection 18 qui est centré sur l'axe de symétrie 14 et alimenté par un premier ergol, une première fente annulaire d'injection 20 qui est également centrée sur l'axe de symétrie, qui entoure le canal central 18 et qui est alimentée par un second ergol, et une seconde fente annulaire d'injection 22 qui est centrée sur l'axe de symétrie, qui entoure la première fente 20 et qui est alimentée par le premier ergol. Le corps 12 de l'injecteur est formé de trois pièces distinctes : une partie centrale 12a comportant les éléments d'injection d'ergols, une partie supérieure 12b venant coiffer cette partie centrale et constituer ainsi une cavité supérieure d'alimentation 24 pour le second ergol, et une partie de révolution 12c entourant la partie centrale et formant une cavité annulaire d'alimentation 26 pour le premier ergol. La cavité supérieure d'alimentation 24 est alimentée en second ergol par un premier orifice d'admission 28 pratiqué à une extrémité amont de cette cavité au niveau de son axe de symétrie. Au niveau de son extrémité aval, cette cavité supérieure d'alimentation 24 débouche par l'intermédiaire d'un second orifice 30 dans la première fente d'injection 20. Quant à la cavité annulaire d'alimentation 26, elle est alimentée en premier ergol par un conduit d'alimentation 32 et s'ouvre dans la seconde fente d'injection 22 par l'intermédiaire d'une pluralité d'orifices d'admission radiaux 34 et dans le canal central d'injection 18 par l'intermédiaire d'une pluralité de tubes d'admission radiaux 35 qui peuvent traverser cette seconde fente d'injection. Le nombre, le diamètre et la disposition de ces orifices et tubes d'admission radiaux 34, 35 sont déterminés de façon à ce que l'alimentation du canal central d'injection et de la seconde fente d'injection par le premier ergol soit la plus homogène possible. La partie centrale 12a du corps de l'injecteur est fermée à son extrémité aval par une paroi circulaire d'injection 36 dont la face aval donne à l'intérieur de l'organe de combustion 16. Cette paroi d'injection est percée d'un nombre d'orifices permettant l'installation des éléments d'injection - à savoir le canal central d'injection 18 et les fentes d'injection 20, 22 - et est en partie traversée par ces derniers. De la sorte, les éléments d'injection débouchent à leur extrémité aval respective dans l'organe de combustion 16. L'organe de combustion 16 comprend une paroi annulaire 38 qui est centrée sur l'axe de symétrie 14 et qui est raccordée à l'extrémité aval de la partie centrale 12a du corps 12 de l'injecteur (par exemple au niveau de la plaque d'injection 36). L'injecteur d'ergols comprend en outre un bol aérodynamique 40 qui est centré sur l'axe de symétrie 14, fixé sur l'extrémité aval de la partie centrale 12a du corps 12 et qui s'évase vers l'aval à l'intérieur de l'organe de combustion 16. Plus précisément, ce bol aérodynamique 40 comprend une paroi annulaire 42 qui est fixée à son extrémité amont sur la paroi d'injection 36 (par exemple par soudure). Cette paroi 42 fait saillie axialement à l'intérieur de l'organe de combustion 16. La mise à feu des ergols est assurée par un allumeur (non représenté sur les figures) placé directement dans l'organe de combustion 16 et dont la nature peut être variable : pyrotechnique, par torche électrique ou acoustique, etc. Le fonctionnement d'un tel injecteur découle de manière évidente de ce qui précède et ne sera donc pas détaillé ici. Si besoin, on pourra se référer au document de brevet US 5,660,039 qui décrit un tel fonctionnement. La présence du bol aérodynamique 40 permet d'améliorer considérablement le mélange aérodynamique des gaz issus de la combustion des ergols. En effet, dans un premier temps, la flamme de combustion va avoir tendance à � s'ouvrir � vers la paroi 38 de l'organe de combustion 16, le gaz imbrûlé externe se trouvant accéléré entre la flamme de combustion et cette paroi. Dans un second temps, la flamme de combustion re-circule à l'intérieur de l'organe de combustion (dans le sens des flèches F sur la figure 1). Il résulte de cette amélioration du mélange aérodynamique des gaz de combustion un meilleur rendement de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'organe de combustion 16 peut être constitué par la chambre de combustion elle- même. Alternativement, l'organe de combustion pourrait être constitué par un tube de confinement des gaz de combustion (par exemple dans le cas d'un générateur de gaz équipé de multiples tubes). Il est à noter que, sur l'exemple de réalisation des figures 1 à 3, la paroi 42 du bol aérodynamique 40 présente sensiblement une forme de trompette. Bien entendu, cette paroi 42 pourrait alternativement présenter une forme de tronc de cône. Il est également noter que le premier ergol alimentant à la fois le canal central d'injection 18 et la seconde fente d'injection 22 peut être, dans le cadre d'une application à un injecteur pour moteur-fusée à ergols cryogéniques, de l'hydrogène liquide (LH2), tandis que le second ergol alimentant la première fente d'injection 20 peut être de l'oxygène liquide (LOX)2. REVENDICATIONS1. Injecteur (10) d'ergols comportant un corps de révolution (12) autour d'un axe de symétrie (14), ce corps étant muni de plusieurs éléments d'injection (18, 20, 22) alimentés chacun par un ergol, les éléments d'injection étant d'axes parallèles à l'axe de symétrie et débouchant à une extrémité aval dans un organe de combustion (16), l'organe de combustion comprenant une paroi annulaire (38) qui est centrée sur l'axe de symétrie et raccordée à l'extrémité aval du corps de révolution, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bol aérodynamique (40) centré sur l'axe de symétrie, fixé à l'extrémité aval du corps de révolution et s'évasant vers l'aval à l'intérieur de l'organe de combustion de façon à améliorer le mélange aérodynamique des gaz de combustion. 2. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel l'organe de combustion est un tube de confinement. 3. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel l'organe de 20 combustion est une chambre annulaire de combustion. 4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments d'injection comprennent un canal central d'injection (18) centré sur l'axe de symétrie et alimenté par un premier 25 ergol, une première fente annulaire d'injection (20) entourant le canal central et alimentée par un second ergol et une seconde fente annulaire d'injection (22) entourant la première fente et alimentée par le premier ergol.