Brevet FR2977639A1 — publié le 20130111

La présente invention concerne un élément d'injection de deux ergols dans une chambre de combustion, plus particulièrement conçu pour un moteur fusée avec au moins une chambre de combustion, du type comprenant un injecteur regroupant un ou une pluralité de tels éléments d'injection. L'invention concerne plus particulièrement un perfectionnement apporté à un tel élément d'injection, dans sa partie aval où s'effectue le mélange des deux ergols, afin de réduire le bruit acoustique dans la chambre de combustion. Le document de brevet FR 2 712 030 Al décrit un injecteur de deux ergols dans une chambre de combustion de moteur fusée comprenant une structure d'alimentation où les deux ergols alimentent une pluralité d'éléments d'injection agencés parallèlement les uns aux autres, dans une configuration axisymétrique sur la surface d'une structure dite « plaque d'injection », circulaire, faisant partie de l'injecteur. Une telle plaque d'injection peut ainsi être associée à un assez grand nombre d'éléments d'injection, par exemple jusqu'à une centaine ou plus, conjuguant leur débit unitaire pour fournir le débit global du moteur. Dans cet injecteur de l'état de la technique, chaque élément d'injection comprend un premier conduit pour l'injection du premier ergol, et un deuxième conduit pour l'injection du deuxième ergol, le deuxième conduit étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit. Dans le présent contexte on entend par « conduit annulaire » un conduit dont une coupe radiale fait apparaître une section débitante annulaire, tandis que par « conduit tubulaire » on entend un conduit à la section pleine. En outre, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols. Ainsi, les ergols étant injectés dans la chambre de combustion à travers des conduits coaxiaux des éléments d'injection de l'injecteur de FR 2 712 030 Al, les turbulences provoquées dans les couches limites entre les débits concentriques et adjacents peuvent assurer un mélange homogène des deux ergols par cisaillement dans leur écoulement. Toutefois, à partir de ce concept de base, dans lequel le premier conduit est tubulaire, on rencontre des difficultés à faire évoluer les paramètres géométriques pour augmenter la puissance individuelle dudit élément d'injection sans dégrader la qualité de l'injection et de la combustion. En outre, une telle chambre de combustion peut générer, en fonctionnement, un bruit de combustion qui pourrait même entrer en couplage acoustique fort avec les modes propres vibratoires de la chambre. Des telles vibrations acoustiques peuvent ainsi entrer en résonance, atteindre des amplitudes susceptibles de causer des dommages irréversibles à la chambre de combustion et à l'injecteur. On a précédemment essayé de réduire le niveau acoustique dans de telles chambres de combustion avec des dispositifs amortisseurs en périphérie de la plaque d'injection. Les dispositifs amortisseurs les plus communément employés sont les déflecteurs (en anglais « baffles ») et les cavités acoustiques. Toutefois, ces dispositifs amortisseurs présentent des inconvénients considérables d'augmentation de la masse, encombrement, complexité et coûts de fabrication de la chambre de combustion, et nécessiteront, en outre des essais de validation additionnels, en particulier de leur tenue thermomécanique dans un environnement extrêmement exigeant. L'invention vise donc à proposer un élément d'injection qui permette de remédier à ces inconvénients. Ce but est atteint grâce au fait que le premier conduit est aussi annulaire, entourant un corps central de l'élément d'injection, ledit corps central comportant au moins une cavité en communication avec une surface externe du corps central et configurée pour amortir au moins une fréquence acoustique f prédéterminée. Grâce à ces dispositions, on peut réduire la section de passage du premier ergol circulant dans le premier conduit en jouant sur le diamètre du corps central. Par conséquent, même si on augmente les sections de passage de tous les conduits pour augmenter la puissance d'un tel élément d'injection, il est possible de faire en sorte que la vitesse de l'ergol circulant dans le premier conduit, annulaire, ne diminue pas, toutes choses égales par ailleurs. La qualité de l'injection et de la combustion peut ainsi être maintenue de manière indépendante au dimensionnement de l'élément d'injection. En outre, l'intégration de la cavité d'amortissement acoustique dans le corps central permet son intégration dans l'injecteur, sans encombrement supplémentaire, et place les moyens d'amortissement à proximité immédiate des sources de bruit. Dans certains modes de réalisation, ladite cavité d'amortissement acoustique est configurée comme résonateur de Helmholtz, avec un volume V en communication avec une surface externe du corps central à travers un orifice de section A et longueur lo. Un tel résonateur de Helmholtz présente une fréquence acoustique propre suivant l'équation suivante : dans laquelle c représente la vitesse de propagation du son dans le fluide contenu dans la cavité. Un résonateur de Helmholtz accordé à une fréquence d'excitation f prédéterminée permet de dissiper au moins en partie l'énergie d'ondes acoustiques à cette fréquence. Dans un mode de réalisation particulier d'un tel élément d'injecteur, l'orifice reliant la cavité à la surface externe du corps central est sensiblement coaxial auxdits premier et deuxième conduits. De cette manière l'orifice est orienté dans la direction de laquelle procède la plus grande partie du bruit de combustion. Dans un mode de réalisation alternatif, la cavité communique directement avec le premier conduit à travers l'orifice, lequel est percé, latéralement, dans la surface externe du corps central. Ceci permet l'amortissement des ondes acoustiques se propageant en direction amont par le premier conduit. Alternativement à la configuration en résonateur de Helmholtz, dans d'autres modes de réalisation, ladite cavité est configurée comme un perçage axial dans le corps central avec une profondeur lp sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde À correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée. Dans le présent contexte, on entend par orientation axiale celle de l'écoulement des ergols. La cavité forme ainsi un tube quart d'onde permettant l'atténuation d'ondes acoustiques de fréquence f. Afin d'encore améliorer le mélange des deux ergols en aval, un élément d'injection suivant certains modes de réalisation comporte en outre un troisième conduit, apte à injecter aussi le premier ergol, ledit troisième conduit étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits et extérieurement adjacent au deuxième conduit. Ainsi, un double cisaillement de l'écoulement du deuxième ergol entre un débit intérieur et un débit extérieur du premier ergol peut résulter en une encore meilleure homogénéisation du mélange. L'invention concerne également un injecteur comportant au moins un élément d'injection tel que décrit ci-dessus, une chambre de combustion comportant au moins un tel injecteur, ainsi qu'un moteur fusée comportant au moins une telle chambre de combustion. Par « chambre de combustion » on entend, dans le présent contexte, non seulement une chambre de combustion principale mono-élément d'un moteur fusée, mais aussi, entre autres, un ou plusieurs éléments d'une chambre de combustion multiéléments, une préchambre de moteur à combustion étagée, ou un générateur de gaz pour, par exemple, l'actionnement d'une turbopompe d'alimentation en ergols. L'invention concerne également un procédé d'amortissement d'un bruit de combustion dans une chambre de combustion, dans lequel une fréquence acoustique f prédéterminée est amortie dans une cavité d'un corps central d'un élément d'injection d'un mélange de deux ergols dans la chambre de combustion, ledit élément d'injection comprenant, au moins, un premier conduit annulaire pour l'injection d'un premier ergol extérieurement adjacent au corps central, et un deuxième conduit pour l'injection d'un deuxième ergol annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit. En particulier, mais pas nécessairement, cet élément d'injection pourrait en outre comprendre un troisième conduit, apte à injecter aussi le premier ergol, ledit troisième conduit étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits et extérieurement adjacent au deuxième conduit. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de trois modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur fusée à ergols liquides ; les figures 2a, 2b et 2c sont des coupes longitudinales d'éléments d'injection suivant un premier, un deuxième et un troisième modes de réalisation ; et les figures 3a, 313 et 3c sont des coupes longitudinales d'éléments d'injection suivant un quatrième, un cinquième et un sixième modes de réalisation. Un moteur fusée 1 à ergols liquides, en particulier à ergols liquides cryogéniques, est illustré schématiquement sur la figure 1. Ce moteur fusée 1 comporte un réservoir 2 pour le premier ergol, un réservoir 3 pour le deuxième ergol, un générateur de gaz 4 alimenté par les premier et deuxième ergols, une turbopompe 5 actionné par les gaz de combustion provenant du générateur de gaz 4, une chambre de combustion principale 6 alimentée en ergols par la turbopompe 5, et une tuyère convergente-divergente 7 pour l'éjection propulsive des gaz de combustion générés dans la chambre de combustion principale 6. Afin d'obtenir une combustion efficace tant dans le générateur de gaz 4 que dans la chambre de combustion principale 6, ces composants comportent des éléments d'injection des ergols permettant d'obtenir un mélange et une distribution homogènes des ergols. Typiquement, ces éléments d'injection sont montés sur une plaque d'injection alimentée par les ergols injectés. Sur la figure 2a, on a représenté la partie terminale d'un élément d'injection 201 à structure tri-coaxiale pour l'injection et le mélange de deux ergols E1, E2. L'élément d'injection 201 présente un axe de symétrie X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols E1, E2. La façon dont les différentes parties constitutives de cet élément d'injection sont agencées les unes par rapport aux autres et maintenues dans leurs positions respectives tout en étant connectées aux deux circuits d'alimentation des ergols El, E2, n'est pas représentée. L'élément d'injection 201 comprend, dans sa partie terminale, trois parois tubulaires 202,203,204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier, un deuxième et un troisième conduits 206,207,208 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire plus externe 204 et les parois intermédiaires 202,203. La paroi externe 204 peut être part de la plaque d'injection elle-même, et les parois intermédiaires 202,203 pourraient être intégrées dans un seul corps uni en amont. Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont configurés pour l'injection du premier ergol E1, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Le premier et le deuxième ergols E1, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, les cisaillements à l'intérieur et à l'extérieur du flux annulaire du deuxième ergol E2 dans le retrait RE, produisent des turbulences dans les flux des deux ergols E1,E2 assurant un mélange homogène des deux ergols E1, E2. En outre, comme les trois conduits 206, 207 et 208 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis. Dans ce premier mode de réalisation, le corps central 205 comporte une cavité 209 de volume V, fermée par une plaque 210 perforée par un orifice 211 sensiblement aligné avec l'axe central X de l'élément d'injection. L'orifice 211 présente une section A et une longueur lo et met en communication la cavité 209 avec une surface externe 212 du corps central 205 face à la chambre de combustion 213. La cavité 209 avec l'orifice 211 forment ainsi un résonateur de Helmholtz de fréquence propre f suivant l'équation : c f 27r Grâce à ce résonateur de Helmholtz, il est possible de dissiper au moins une partie de l'énergie acoustique émise par la combustion à cette fréquence f. Avec un dimensionnement approprié de la cavité 209 et de l'orifice 211 un bruit de combustion d'une fréquence f prédéterminée, comme par exemple une fréquence pouvant provoquer des effets de résonance avec la structure de la chambre de combustion, peut être amorti de manière efficace. Dans un deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 2b, l'élément d'injection 201 est aussi un élément de type tricoaxial avec des parois tubulaires 202,203,204 formant un premier, un deuxième et un troisième conduits 206,207,208 annulaires et coaxiaux autour d'un corps central 205. Comme dans le premier mode de réalisation, un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire 204 la plus externe, et les parois tubulaires intermédiaires 202 et 203. Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont aussi configurés pour l'injection du premier ergol E1, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Par contre, dans ce deuxième mode de réalisation, l'orifice 211 n'est pas percé dans la plaque 210 refermant la cavité 209 du corps central 205, mais, latéralement, dans la surface externe 212 du corps central 205, de manière à mettre la cavité 209 en communication directe avec le premier conduit 206, et ceci pour amortir les ondes acoustiques se propageant dans le retrait RE et dans le premier conduit 206. Dans un troisième mode de réalisation, illustré sur la figure 2c, l'élément d'injection 201 est aussi un élément de type tricoaxial avec des parois tubulaires 202,203,204 formant un premier, un deuxième et un troisième conduits 206,207,208 annulaires et coaxiaux autour d'un corps central 205. Comme dans les premier et deuxième modes de réalisation, un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi 204 la plus externe, et les parois intermédiaires 202 et 203. Le premier et le troisième conduits 206, 208 sont aussi configurés pour l'injection du premier ergol E1, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206 et à l'intérieur du troisième conduit 208, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Par contre, dans ce troisième mode de réalisation, la cavité 208 n'est pas refermée par une plaque, mais est configurée comme un perçage axial de diamètre d dans le corps central 205, ouvert en direction de la chambre de combustion 214 et borgne, et présentant une profondeur Ip sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde À correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée qu'on entend amortir. Ainsi, la cavité 209 fonctionne comme un tube quart d'onde pour amortir des bruits de combustion lors du fonctionnement de la chambre de combustion 214. Bien que les premier, deuxième et troisième modes de réalisation concernent des éléments d'injection tri-coaxiaux, le même concept peut aussi être appliqué à des éléments d'injection coaxiaux simples. Ainsi, dans un quatrième mode de réalisation illustré sur la figure 3a, l'élément d'injection 201 comprend, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202. La paroi 204 peut être intégrée dans la plaque d'injection elle-même. Le premier conduit 206 est configuré pour l'injection du premier ergol E1, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Le premier et le deuxième ergols E1, E2 étant injectés à des vitesses différentes lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, le cisaillements entre les flux annulaires des deux ergols E1, E2 dans le retrait RE produisent des turbulences assurant un mélange homogène des deux ergols E1, E2. En outre, comme les deux conduits 206, 207 sont annulaires, le dimensionnement de l'élément d'injection 201 peut facilement être adapté au débit total d'ergols requis. Comme dans le premier mode de réalisation, le corps central 205 comporte une cavité 209 de volume V, fermée par une plaque 210 perforée par un orifice 211 sensiblement aligné avec l'axe central X de l'élément d'injection. L'orifice 211 présente une section A et une longueur lo et met en communication la cavité 209 avec une surface externe 212 du corps central 205 face à la chambre de combustion 213. La cavité 209 avec l'orifice 211 forment ainsi un résonateur de Helmholtz de fréquence propre f. Dans un cinquième mode de réalisation illustré sur la figure 313, l'élément d'injection 201 comprend aussi, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux. Un retrait RE est aussi défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202. Comme dans les modes de réalisation précédents, le premier conduit 206 est configuré pour l'injection du premier ergol E1, tandis que le deuxième conduit 207, situé radialement adjacent à l'extérieur du premier conduit 206, est configuré pour l'injection du deuxième ergol E2. Comme dans le deuxième mode de réalisation, la cavité 209, formée par un perçage axial dans le corps central 205 est mise en communication directe avec le premier conduit 206 par un orifice 211 percé, latéralement, dans la surface externe 212 du corps central 205, de manière à mettre la cavité 209 en communication directe avec le premier conduit 206, et former un résonateur de Helmholtz servant à amortir les ondes acoustiques se propageant dans le retrait RE et dans le premier conduit 206. Finalement, dans un sixième mode de réalisation illustré sur la figure 3c l'élément d'injection 201 comprend aussi, dans sa partie terminale, deux parois tubulaires 202, 204 concentriques autour d'un corps central 205 de manière à former un premier et un deuxième conduits 206,207 annulaires et coaxiaux, configurés respectivement pour l'injection d'un premier et d'un deuxième ergol E1, E2. Un retrait RE est aussi défini entre l'extrémité de l'enveloppe externe, c'est-à-dire la paroi tubulaire externe 204 et la paroi intermédiaire 202. Comme dans le troisième mode de réalisation, la cavité 209 n'est pas refermée par une plaque, mais est configurée comme un perçage axial de diamètre d dans le corps central 205, ouvert en direction de la chambre de combustion 214 et borgne, et présentant une profondeur Ip sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde À correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée qu'on entend amortir. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, bien que dans chaque mode de réalisation illustré le corps central ne comporte qu'une seule cavité d'amortissement acoustique, dans des injecteurs suivant d'autres modes de réalisation plusieurs cavités d'amortissement acoustique, du même type et/ou de types différents, peuvent être incorporées dans le corps central. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés et/ou décrits peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Elément d'injection (201) d'un mélange de deux ergols (E1,E2) dans une chambre de combustion (4,6), comprenant, au moins, un premier conduit (206) pour l'injection d'un premier ergol (E1), et un deuxième conduit (207) pour l'injection d'un deuxième ergol (E2), le deuxième conduit (207) étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit (206), l'élément d'injection (201) étant caractérisé en ce que le premier conduit (206) est aussi annulaire, entourant un corps central (205) de l'élément d'injection (201), ledit corps central (205) comportant au moins une cavité (209) en communication avec une surface externe (212)' du corps central (205) et configurée pour amortir au moins une fréquence acoustique f prédéterminée. 2. Elément d'injection (201) suivant la revendication 1, dans lequel ladite cavité (209) est configurée comme résonateur de Helmholtz, avec un volume V en communication avec la surface externe (212) du corps central (205) à travers un orifice (211) de section A et longueur lo. 3. Elément d'injection (201) suivant la revendication 2, dans lequel ledit orifice (211) est sensiblement coaxial aux premier et deuxième conduits (206,207). 4. Elément d'injection (201) suivant la revendication 2, dans lequel la cavité (209) communique directement avec le premier conduit (206) à travers l'orifice (211), lequel est percé, latéralement,' dans la surface externe (212). 5. Elément d'injection (201) suivant la revendication 1, dans lequel ladite cavité (209) est configurée comme un perçage axial dans le corps central (205) avec une profondeur Ip sensiblement équivalente au quart de la longueur d'onde À correspondant à la fréquence acoustique f prédéterminée. 6. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant en outre un troisième conduit (208), configuré pour injecter le premier ergol (E1), ledit troisième conduit (208) étant annulaire et coaxial aux premier et deuxième conduits (206,207) et extérieurement adjacent au deuxième conduit (207). 7. Injecteur comportant au moins un élément' d'injection (201) suivant une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Chambre de combustion (4,6) comportant au moins un injecteur suivant la revendication 7. 9. Moteur fusée (1) comportant au moins une chambre de combustion (4,6) suivant la revendication 8. 10. Procédé d'amortissement d'un bruit de combustion dans une chambre de combustion (4,6), dans lequel une fréquence acoustique f prédéterminée est amortie dans une cavité (209) d'un corps central (205) d'un élément d'injection (201) d'un mélange de deux ergols (E1,E2) dans la chambre de combustion (4,6), ledit élément d'injection (201) comprenant, au moins, un premier conduit annulaire (206) pour l'injection d'un premier ergol (E1) extérieurement adjacent au corps central (205), et un deuxième conduit (207) pour l'injection d'un deuxième ergol (E2) annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit (206).