Brevet FR2998334A1 — publié le 20140523

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des injecteurs, et en particulier des éléments d'injection d'un mélange d'au moins deux ergols 5 dans une chambre de combustion, comme par exemple une chambre de combustion d'un moteur fusée. 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 10 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 15 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 canal pour l'injection du premier ergol, et un deuxième canal pour l'injection du deuxième ergol, le deuxième canal étant annulaire, coaxial et extérieurement adjacent au premier canal. 20 Dans le présent contexte on entend par « canal annulaire » un canal dont une coupe radiale fait apparaître une section débitante annulaire, tandis que par « canal tubulaire » on entend un canal à section pleine. En outre, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols. 25 Ainsi, les ergols étant injectés dans la chambre de combustion à travers des canaux 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. 30 Toutefois, à partir de ce concept de base, 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. Avec des débits plus importants, le mélange devient moins homogène et la qualité de la combustion se dégrade. 35 Un moyen qui a été proposé pour améliorer la qualité du mélange est celui d'introduire un mouvement tournoyant dans au moins un des ergols. Pour cela, dans l'élément d'injection divulgué par exemple dans la demande de brevet européen EP 0 344 463 Al, une plaque torsadée est utilisée pour générer ce mouvement tournoyant dans l'un des ergols. Dans une autre solution, divulguée dans la demande de brevet européen EP 1 873 390 A2, l'élément d'injection comprend des canaux hélicoïdaux pour l'injection d'un des ergols. On souhaite toutefois augmenter l'homogénéité du mélange au-delà de celle offerte par ces dispositifs de l'état de la technique. Objet et résumé de l'invention La présente description vise à proposer un élément d'injection d'au moins deux ergols dans une chambre de combustion, comprenant au moins un premier canal hélicoïdal et au moins un deuxième canal hélicoïdal, chacun desdits canaux hélicoïdaux suivant une hélice centrée sur un axe central de l'élément d'injection, et qui permette d'obtenir un mélange plus homogène des ergols. Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que l'hélice de l'au moins un deuxième canal est située à l'intérieur de l'hélice de l'au moins un premier canal. Ces canaux hélicoïdaux sur des hélices concentriques favorisent un meilleur brassage des ergols. Si l'élément d'injection comprend une pluralité de tels premiers canaux hélicoïdaux et une pluralité de tels deuxièmes canaux hélicoïdaux, ceux-ci formeront donc des couronnes concentriques autour de l'axe 25 central. L'hélice de chaque canal hélicoïdal peut être une hélice circulaire, c'est-à-dire incluse dans un cylindre, mais alternativement elle peut aussi être une hélice conique. Des telles hélices coniques permettent d'obtenir une convergence des canaux favorisant un meilleur brassage des ergols. 30 D'autres hélices que les hélices circulaires ou coniques peuvent toutefois être aussi envisagées suivant les besoins. Aussi afin d'améliorer le brassage des ergols en aval de l'élément d'injection, au moins un desdits canaux hélicoïdaux peut présenter une section non-circulaire torsadée autour de l'hélice. Il est ainsi possible 35 d'obtenir une torsion des lignes de courant dans chaque canal hélicoïdal torsadé de cette manière, facilitant le mélange des ergols en aval. Afin d'augmenter la turbulence en aval de l'élément d'injection, aussi pour améliorer le brassage des ergols en aval de l'élément d'injection, les hélices des premier et deuxième canaux hélicoïdaux peuvent tourner en sens opposés. Ceci peut être particulièrement efficace si le premier canal hélicoïdal est relié à une arrivée d'un premier ergol, et le deuxième canal hélicoïdal est relié à une arrivée d'un deuxième ergol, séparée de l'arrivée du premier ergol, la turbulence entre les deux ergols étant ainsi augmentée. Toutefois, il est également envisageable que lesdits premier et deuxième canaux hélicoïdaux soient reliés à une même arrivée d'ergol. En particulier, mais non pas uniquement dans ce cas, l'élément d'injection peut comprendre au moins un troisième canal, pouvant aussi être hélicoïdal, suivant une hélice centrée aussi sur l'axe central de l'élément d'injection, mais pouvant présenter alternativement d'autres formes, comme par exemple une forme annulaire ou une forme tubulaire droite. Ce troisième canal peut être arrangé à l'extérieur de l'hélice du premier canal hélicoïdal, à l'intérieur de l'hélice du deuxième canal hélicoïdal, ou entre les hélices des premier et deuxième canaux hélicoïdaux. Au moins lesdits premier et deuxième canaux peuvent être formés à l'intérieur d'une pièce monobloc. Grâce à ces dispositions, il est possible d'optimiser la section du canal hélicoïdal pour obtenir un meilleur mélange et une moindre perte de charge. En outre, l'élément d'injection peut ainsi être plus robuste. Ladite pièce monobloc peut notamment être produite par fabrication additive. Afin de faciliter le mélange, en séparant les lignes de courant du deuxième ergol, l'élément d'injection peut comprendre une pluralité de canaux hélicoïdaux pour l'injection du deuxième ergol, suivant chacun une hélice centrée sur l'axe central. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs 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 ; - la figure 2A est un écorché latéral d'un élément d'injection suivant un premier mode de réalisation ; - la figure 2B est une vue schématique des canaux hélicoïdaux de l'élément d'injection de la figure 2A ; - la figure 3A est un écorché latéral d'un élément d'injection suivant un deuxième mode de réalisation ; - la figure 3B est une vue schématique des canaux hélicoïdaux de l'élément d'injection de la figure 3A ; - la figure 4A est un écorché latéral d'un élément d'injection suivant un troisième mode de réalisation ; - la figure 4B est une coupe transversale de l'élément d'injection de la figure 4A suivant la ligne IVB-IVB ; - la figure 5 est une coupe transversale d'un élément d'injection suivant un quatrième mode de réalisation ; - la figure 6A est une vue schématique de trois canaux hélicoïdaux d'un élément d'injection suivant un cinquième mode de réalisation ; - la figure 6B est une coupe transversale de l'élément d'injection de la figure 6A ; - la figure 7A une vue schématique latérale d'un canal hélicoïdal suivant une variante de l'invention ; et - la figure 7B est une coupe transversale du canal de la figure 7A dans le plan VIC. Description détaillée de l'invention 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 organes d'injection des ergols permettant d'obtenir un mélange et une distribution homogènes des ergols. Typiquement, ces organes d'injection prennent la forme d'injecteurs comprenant une plaque d'injection dans laquelle sont distribués plusieurs éléments d'injection des deux ergols. Sur les figures 2A et 2B est représenté un élément d'injection 201 pour l'injection et le mélange de deux ergols El, E2. L'élément d'injection 201 présente un axe central X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols El, E2. L'élément d'injection 201 comprend un ensemble de premiers canaux hélicoïdaux 204 pour l'injection du premier ergol El, arrangés autour d'un ensemble de deuxièmes canaux hélicoïdaux 205 pour l'injection du deuxième ergol E2. Dans ce premier mode de réalisation, les hélices 204a des premiers canaux 204 sont des hélices circulaires tournant dans un premier sens et les hélices 205a des deuxièmes canaux 205 sont des hélices également circulaires tournant dans un deuxième sens, opposé audit premier sens, autour du même axe central X. L'élément d'injection 201 est formé par une seule pièce monobloc, avec les canaux hélicoïdaux 204, 205 formés dans la masse de cette pièce 25 monobloc. Les premiers canaux hélicoïdaux 204 sont connectés à une arrivée du premier ergol El et configurés pour l'injection de ce premier ergol El, tandis que les deuxièmes canaux hélicoïdaux 205, situés à l'intérieur des hélices 204a des premiers canaux hélicoïdaux 204, sont connectés à une 30 arrivée du deuxième ergol E2 et configurés pour l'injection de ce deuxième ergol E2. Lors du fonctionnement de l'élément d'injection 201, les canaux hélicoïdaux 204, 205 séparent les lignes d'écoulement de chaque ergol El, E2, et leur impriment un mouvement tournoyant dans un sens opposé pour chaque ergol. L'inclinaison de l'écoulement du deuxième ergol E2 par 35 rapport à celui du premier ergol El provoque un cisaillement entre les 2 99 8334 6 deux, produisant des turbulences assurant un mélange homogène des deux ergols El, E2 en aval de l'élément d'injection 201. Bien que dans ce premier mode de réalisation les canaux hélicoïdaux 204, 205 suivent des hélices circulaires, d'autres formes alternatives sont 5 également envisageables. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré sur les figures 3A et 3B, dans lesquelles chaque élément reçoit le même chiffre de référence que l'élément équivalent dans le premier mode de réalisation, les canaux hélicoïdaux 204, 205 suivent des hélices coniques 205a convergeant sur l'axe central X en direction aval. On obtient ainsi, lors du 10 fonctionnement de cet élément d'injection 201 un écoulement des ergols El, E2 non seulement tournoyant, mais aussi convergent. Cette convergence favorise aussi le brassage des deux ergols El, E2 en aval de l'élément d'injection 201. D'autres formes d'hélice sont envisageables pour d'autres modes de réalisation. Il faut aussi comprendre, dans le présent 15 contexte, le mot « hélice » dans un sens large, pouvant même englober une ligne présentant un angle variable par rapport à l'axe central X et donc un écart variable entre ses spires. Dans encore un autre mode de réalisation, illustré sur les figures 4A et 4B, les premiers et deuxièmes canaux hélicoïdaux 204, 205 20 concentriques sont tous reliés à l'arrivée du deuxième ergol E2. On peut ainsi injecter le deuxième ergol E2 par plusieurs couronnes concentriques 210 de canaux hélicoïdaux 204, 205, permettant ainsi une meilleure adaptation à un débit souhaité du deuxième ergol E2. Un troisième canal 206, à section annulaire et connecté à l'arrivée du premier ergol El, permet l'injection du premier ergol El. Ce troisième canal 206 est situé à l'extérieur des hélices 204a, 205a des premiers et deuxièmes canaux hélicoïdaux 204, 205. Le reste des éléments de l'élément d'injection 201 illustré sur les figures 4A et 4B reçoit les mêmes chiffres de référence que les éléments correspondants dans les figures précédentes. Alternativement, toutefois, le troisième canal 206 peut être situé à l'intérieur des couronnes concentriques 210 des premiers et deuxièmes canaux hélicoïdaux 204, 205, comme dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5. Dans ce mode de réalisation, le troisième canal 206 est un canal tubulaire droit. Comme dans le mode de réalisation précédent, les premiers et deuxièmes canaux hélicoïdaux 204, 205 concentriques sont tous reliés à l'arrivée du deuxième ergol E2, tandis que le troisième canal 206 est relié à l'arrivée du premier ergol El. Le reste des éléments de l'élément d'injection 201 illustré sur les figures 5A et 5B reçoit les mêmes chiffres de référence que les éléments correspondants dans les figures précédentes. L'au moins un troisième canal 206 peut aussi être hélicoïdal, comme dans le mode de réalisation illustré sur les figures 6A et 6B. Dans ce mode de réalisation, l'élément d'injection 201 comprend une pluralité de troisièmes canaux hélicoïdaux 206 disposés entre les premiers canaux hélicoïdaux 204, et les deuxièmes canaux hélicoïdaux 205. Comme on peut voir sur la figure 6A, qui illustre schématiquement un des canaux 204, un des canaux 205 et un des canaux 206, pour optimiser le brassage des ergols E1,E2 en aval, les troisièmes canaux hélicoïdaux 206 tournent en sens opposé auxdits premiers et deuxièmes canaux hélicoïdaux 204, 205 autour de l'axe central X. Comme dans le mode de réalisation précédent, les premiers et deuxièmes canaux hélicoïdaux 204, 205 concentriques sont tous reliés à l'arrivée du deuxième ergol E2, tandis que le troisième canal 206 est relié à l'arrivée du premier ergol El. Dans chacun des modes de réalisation précédents, les canaux hélicoïdaux sont formés dans une pièce monobloc, ce qui permet notamment de leur donner une section particulière. Par exemple, comme illustré sur les figures 7A et 7B, chaque canal hélicoïdal 205 peut présenter une section non-circulaire transversalement à l'hélice 205a, cette section non-circulaire étant torsadée autour de l'hélice 205a pour faire tourner les lignes de courant autour de cette hélice 205a. En fonctionnement, ceci offre un brassage encore plus efficace des ergols en aval de l'élément d'injection. Plusieurs procédés permettent la fabrication de pièces monobloc de cette complexité. En particulier les procédés dits de fabrication additive peuvent être utilisés pour fabriquer une telle pièce. On entend comme « fabrication additive », dans ce contexte, les procédés de fabrication dans lesquels un matériau est assemblé, typiquement couche par couche, pour former la pièce à partir de données de modèle 3D. Parmi les procédés de fabrication additive pouvant être utilisés pour fabriquer cette pièce monobloc on compte notamment la fusion sélective par laser et le frittage sélectif par laser, deux procédés qui permettent la fabrication additive de pièces en matériau métallique ou céramique. Toutefois, d'autres procédés de fabrication peuvent être envisagés, comme la fonderie (et notamment la fonderie à modèle perdu), l'usinage (et notamment l'usinage par décharge électrique) ou autres. Les éléments d'injection peuvent aussi, alternativement, être produits par assemblage de plusieurs pièces. Même si la présente description détaillé a fait référence à un moteur-fusée à turbopompe actionnée par les gaz de combustion d'un générateur de gaz, des injecteurs des mêmes types peuvent bien sûr être utilisés dans d'autres types de moteurs-fusées à ergols fluides, tels que par exemple les moteurs-fusées à cycle « expandeur » ou les moteur-fusées à ergols pressurissés. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, 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. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués 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.20 REVENDICATIONS1. Elément d'injection (201) d'au moins deux ergols (E1,E2) dans une chambre de combustion (6), comprenant au moins un premier canal hélicoïdal (204) et au moins un deuxième canal hélicoïdal (205), chacun desdits canaux hélicoïdaux (204,205) suivant chacun une hélice (204a,205a) centrée sur un axe central (X) de l'élément d'injection (201), et caractérisé en ce que l'hélice (205a) de l'au moins un deuxième canal hélicoïdal (205) est située à l'intérieur de l'hélice (204a) de l'au moins un premier canal hélicoïdal (204). 2. Elément d'injection (201) suivant la revendication 1, dans lequel l'hélice (204a,205a) d'au moins un desdits premier et deuxième canaux hélicoïdaux (204,205) est une hélice circulaire. 3. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'hélice (204a,205a) d'au moins un desdits premier et deuxième canaux hélicoïdaux (204,205) est une hélice conique. 4. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un desdits premier et 20 deuxième canaux hélicoïdaux (204,205) présente une section non-circulaire torsadée autour de l'hélice (204a,205a) correspondante. 5. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les hélices (204a,205a) du premier et deuxième canaux hélicoïdaux (204,205) tournent en sens 25 opposés. 6. Elément d'injection suivant l'une, quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier canal hélicoïdal est relié à une arrivée d'un premier ergol (El), et le deuxième canal hélicoïdal est relié à une arrivée d'un deuxième ergol (E2), séparée de l'arrivée du premier ergol 30 (El). 7. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un troisième canal. 8. Elément d'injection (201) suivant la revendication 7, dans lequel 35 ledit troisième canal est aussi hélicoïdal, suivant une hélice centrée aussi sur l'axe central (X) de l'élément d'injection (201). 2 99 8334 10 9. Elément d'injection (201) suivant la revendication 7, dans lequel ledit troisième canal est annulaire. 10. Elément d'injection (201) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins lesdits premier et 5 deuxième canaux sont formés à l'intérieur d'une pièce monobloc. 11. Elément d'injection (201) suivant la revendication 10, dans lequel ladite pièce monobloc est produite par fabrication additive.