Brevet FR3007801A1 — publié le 20150102

La présente invention concerne un élément d'injection d'au moins un premier ergol et un deuxième ergol 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 le but d'améliorer le rendement du moteur et d'augmenter la stabilité de la flamme. Dans le présent contexte, les termes amont et aval sont définis en fonction du sens d'écoulement des ergols. Dans un moteur fusée classique, un élément d'injection comprend généralement deux conduits coaxiaux séparés par une paroi. Un premier conduit, interne, contient un flux chaud d'oxygène liquide tandis qu'un deuxième conduit, externe, contient un flux froid d'hydrogène liquide. A l'extrémité aval de la paroi, aussi appelée rebord aval ou lèvres, les deux ergols entrent en contact et se mélangent au moment d'entrer dans la chambre de combustion du moteur. L'homogénéité du mélange est cruciale pour le rendement du moteur. La demande de brevet EP 1 298 389 Al décrit un élément d'injection de deux ergols dans une chambre de combustion de moteur fusée comprenant un premier conduit pour l'injection du premier ergol suivant un axe principal, un deuxième conduit pour l'injection du deuxième ergol, le deuxième conduit étant annulaire, extérieurement coaxial et adjacent au premier conduit. Le premier conduit et le deuxième conduit sont séparés par une paroi comportant une surface interne, une surface externe et un rebord aval. Dans le présent contexte, les adjectifs interne, externe, intérieur et extérieur sont définis radialement par rapport à l'axe principal du premier conduit. Considérant un point de l'espace n'appartenant pas à l'axe principal du premier conduit, on désigne par direction radiale la droite passant par ce point, perpendiculaire à l'axe principal du premier conduit et coupant cet axe principal. On désigne par direction tangentielle au point considéré la droite passant par ce point, perpendiculaire à l'axe principal du premier conduit et à la direction radiale. On appelle enfin azimut l'angle formé par la direction radiale au point considéré et une direction radiale fixe de référence. Les adjectifs supérieur et inférieur s'entendent au sens large, c'est-à-dire respectivement supérieur ou égal et inférieur ou égal. Dans le dispositif de la demande de brevet EP 1 298 389 A1, en amont, le premier conduit a une section sensiblement circulaire, tandis qu'en aval, le pourtour de la paroi forme des cannelures tangentielles, de sorte que la section du premier conduit devient non circulaire. En aval, la paroi séparant les deux conduits présente donc des ondulations. Pour réaliser cet élément d'injection de l'état de la technique, il est nécessaire d'augmenter la taille du premier conduit de l'amont vers l'aval. De plus, les ondulations de la paroi augmentent la surface spécifique du premier conduit, ce qui accroît encore davantage la masse et le coût du système. Il est connu que l'accrochage de la flamme est d'autant meilleur que la surface disponible, c'est-à-dire ici la longueur du rebord aval, est importante. C'est pourquoi d'autres injecteurs de l'état de la technique présentent un rebord aval épaissi ; autrement dit, pour augmenter la surface d'accrochage disponible pour la flamme, la surface interne et la surface externe de la paroi s'éloignent l'une de l'autre dans le sens de l'amont vers l'aval. Cependant, de tels dispositifs ont aussi une masse et un coût élevé, et ils n'améliorent pas le mélange des ergols. L'invention vise à proposer des éléments d'injection qui remédient à ces inconvénients et qui présentent des performances accrues en termes de mélange des ergols et de stabilité des flammes. Selon un premier aspect, ce but est atteint grâce au fait que le rebord aval de la paroi est incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe principal du premier conduit. Par rapport à un injecteur classique, à même projection sur un plan orthogonal à l'axe principal du premier conduit et placé en aval du premier conduit, la longueur du rebord aval de la paroi est ainsi augmentée alors même que la masse de la paroi est réduite. Un tel élément d'injection permet d'augmenter la surface disponible d'accrochage de la flamme sans augmenter l'épaisseur de la lèvre. Il permet aussi d'augmenter la stabilité de la flamme. Il permet également de supprimer les décollements de la flamme. De plus, grâce à cette configuration, le mélange entre le premier ergol et le deuxième ergol avant leur combustion est amélioré. En effet, les zones inclinées créent un mouvement de giration supplémentaire entre les deux ergols, ce qui facilite leur mélange. De plus, au niveau des zones inclinées, les deux ergols se mélangent de manière plus précoce que pour un premier conduit de rebord aval perpendiculaire à l'axe principal dudit premier conduit. Le mélange des deux ergols est donc encore davantage augmenté. Ceci favorise aussi la stabilité de la flamme. Un tel élément d'injection permet ainsi de réduire la longueur de flamme, donc, dans le cas d'un élément d'injection destiné à un générateur de gaz, soit de réduire la longueur du corps de générateur de gaz, à débit constant, soit d'augmenter le débit par élément, à longueur de corps de générateur de gaz constante. Dans certains modes de réalisation, dans une section transversale, la distance entre l'axe principal du premier conduit et la surface interne de la paroi évolue le long du périmètre de ladite surface interne selon une première fonction périodique. De cette façon, la fabrication de l'élément d'injection est facilitée (donc moins coûteuse) et l'écoulement possède une certaine périodicité azimutale. Une telle périodicité assure, par exemple, une usure uniforme des composants de l'élément d'injection ou de la chambre de combustion. Ladite première fonction d'évolution peut être une sinusoïde. Dans certains modes de réalisation, dans une section transversale, la distance entre l'axe principal du premier conduit et la surface externe de la paroi évolue le long du périmètre de ladite surface externe selon une deuxième fonction périodique. Ladite deuxième fonction d'évolution peut être une sinusoïde. Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur de ladite paroi est constante. Dans la mesure où il n'est pas nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la paroi au rebord aval, conserver une épaisseur constante est particulièrement avantageux pour des raisons de fabrication, de masse et de coût. Dans certains modes de réalisation, la paroi a une forme telle qu'en amont, sa section transversalement à l'écoulement est sensiblement circulaire. Ainsi, la fabrication du premier conduit est aisée et son intégration dans un élément d'injection comprenant des composants normalisés est possible. De plus, il est ainsi plus facile d'obtenir un écoulement laminaire en amont du premier et du deuxième conduits. Dans certains modes de réalisation, le rebord aval est inscrit dans un cône de révolution imaginaire. Dans ce cas, la géométrie du rebord aval est donc précisément décrite par des paramètres simples, dans la mesure où un cône de révolution est défini par un sommet, un axe central et un demi-angle au sommet qui est l'angle formé par ledit axe central et une génératrice du cône. Par exemple, le sommet du cône peut appartenir à l'axe principal du premier conduit. En outre, l'axe central du cône peut être confondu avec l'axe principal du premier conduit. Enfin, le sommet du cône peut être placé en aval du rebord aval du premier conduit. Dans certains modes de réalisation, le demi-angle au sommet du cône est compris entre 30 et 85°. Un demi-angle au sommet de 90° correspondrait à un rebord non incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe principal du premier conduit. Dans certains modes de réalisation, toute section transversale du premier conduit dans sa partie aval est d'aire inférieure à celle d'une section transversale dudit premier conduit dans sa partie amont. Ainsi, l'encombrement du premier conduit n'est pas augmenté par rapport à un élément d'injection à conduits coaxiaux dans lequel le premier conduit est cylindrique, quelle que soit sa section. Les dimensions de l'élément d'injection ne sont pas augmentées par rapport à un élément d'injection classique, ce qui représente des avantages en termes de masse et de coût. Par exemple, l'aire de la section transversale du premier conduit peut atteindre un minimum entre la partie amont de la paroi et le rebord aval de la paroi. La présente invention concerne également un injecteur comportant 5 un ou plusieurs éléments d'injection, une chambre de combustion comportant un tel injecteur, et un moteur fusée comportant une telle chambre de combustion. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à 10 la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur-fusée à deux ergols liquides ; 15 - la figure 2 est une projection axiale d'un élément d'injection suivant un mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue longitudinale écorchée d'un élément d'injection suivant un mode de réalisation. 20 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 El, un réservoir 3 pour le deuxième ergol E2, un générateur de gaz 4 alimenté par les premier et deuxième ergols El, E2, une turbopompe 5 actionné par les 25 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. 30 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 35 d'injection dans laquelle sont distribués plusieurs éléments d'injection des ergols selon une configuration axi-symétrique. Sur les figures 2 et 3, on a représenté un élément d'injection 10 à structure coaxiale pour l'injection et le mélange de deux ergols El, E2. L'élément d'injection 10 présente un axe principal X, lequel est aussi l'axe principal d'écoulement des ergols El, E2. La figure 2 est une vue en projection sur un plan perpendiculaire à l'axe X, tandis que la figure 3 est une vue longitudinale écorchée. Un premier conduit 11 est délimité par une paroi 20 ayant une surface interne 21, une surface externe 22 et un rebord aval 23. Un deuxième conduit 12, annulaire, est coaxial et extérieurement adjacent au premier conduit 11. Le deuxième conduit est délimité, à l'intérieur, par la surface externe 23 de la paroi 20 et, à l'extérieur, par une paroi externe 13. Quand l'élément d'injection 10 est intégré dans un injecteur d'un moteur fusée tel que celui illustré sur la figure 1, le premier conduit 11 peut être mis en communication avec le circuit d'alimentation du premier ergol El, par exemple de l'oxygène liquide, et le deuxième conduit peut être mis en communication avec le circuit d'alimentation du deuxième ergol E2, par exemple de l'hydrogène liquide. La paroi externe 13 peut avoir une section constante et sensiblement circulaire. En amont, la paroi 20 peut avoir une section sensiblement circulaire, tandis qu'en aval, la paroi 20 peut avoir une section non circulaire, par exemple polygonale, elliptique ou de toute autre forme. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3, la paroi 20 présente en aval des lobes ou ondulations. Plus précisément, la distance Ri entre l'axe principal X du premier conduit 11 et la surface interne 21 de la paroi 20, ou rayon interne, peut évoluer le long du périmètre de ladite surface interne selon une première fonction périodique. En d'autres termes, Ri peut être une fonction périodique de l'azimut O. Par exemple, Ri peut être une fonction sinusoïdale de l'azimut. D'autre part, par exemple, la distance Re entre l'axe principal X du premier conduit 11 et la surface externe 22 de la paroi 20, ou rayon externe, peut évoluer le long du périmètre de ladite surface externe selon 35 une deuxième fonction périodique. En d'autres termes, Re peut être une fonction périodique de l'azimut 0. Par exemple, Re peut être une fonction sinusoïdale de l'azimut. La variation de section de la paroi en aval permet, en fonctionnement, de modifier localement l'écoulement de chaque ergol El, E2 dans son conduit respectif 11, 12. Lorsque la paroi 20 définit tangentiellement une partie convexe du premier conduit 11 (par exemple, sur la figure 2, le lobe comprenant le repère 23), l'ergol El circulant dans le premier conduit 11 est ralenti et l'ergol E2 circulant dans le deuxième conduit 12 est accéléré ; à l'inverse, lorsque la paroi 20 définit tangentiellement une partie concave du premier conduit 11 (par exemple, sur la figure 2, le lobe comprenant le repère 21), l'ergol El circulant dans le premier conduit 11 est accéléré et l'ergol E2 circulant dans le deuxième conduit 12 est ralenti. Ce double mouvement contraire crée un mouvement de giration entre les ergols qui, en plus d'augmenter la surface de mélange entre les ergols, augmente les turbulences, donc l'homogénéité du mélange. Dans le mode de réalisation représenté, les rayons interne Ri et externe Re sont des fonctions périodiques de même période et d'amplitudes proches, de sorte que l'épaisseur de la paroi 20 est constante. Une telle caractéristique simplifie la fabrication de la paroi et représente donc des gains en termes de coûts. De plus, le fait de ne pas présenter d'épaississement de la paroi est particulièrement avantageux pour réduire la masse de l'élément d'injection 10. Cependant, au moins l'une des distances Ri et Re pourrait ne pas être périodique, et l'épaisseur de la paroi 20 pourrait ne pas être constante. Il est connu qu'à aire fixée, une forme circulaire minimise le périmètre. Par conséquent, le fait de donner à l'aval de la paroi 20, et plus particulièrement au rebord aval 23, une section non circulaire, augmente la longueur du rebord aval 23. Cette forme augmente donc la surface disponible pour l'accrochage de la flamme de combustion des deux ergols El, E2.35 Comme illustré sur la figure 3, la paroi 20 présente un rebord aval 23 incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe principal X du premier conduit 11. De cette façon, en fonctionnement, le mélange des ergols est amélioré de la façon suivante : près d'une zone inclinée du rebord aval, l'ergol El circulant dans le premier conduit 11 est entraîné vers le deuxième conduit 12 de manière précoce, tandis que l'ergol E2 circulant dans le deuxième conduit 12 est entraîné vers le premier conduit 11 de manière précoce. Le mouvement de giration qui augmente le mélange des deux ergols est donc significativement accentué. Dans le mode de réalisation illustré, le rebord aval 23 n'est pas plan. Il est défini par l'intersection de la paroi 20 avec un cône de révolution imaginaire C. Le cône de révolution imaginaire C possède un sommet S et un axe central. Dans l'exemple représenté, l'axe central du cône C est confondu avec l'axe principal X du premier conduit 11. Par conséquent, le sommet S appartient à l'axe principal X du premier conduit. Le sommet S est représenté en aval du rebord aval 23. Cependant, l'effet technique de l'invention serait inchangé si le sommet S était placé en amont du rebord aval 23, sur l'axe principal X du premier conduit 11 ou non. Les zones en saillie (vers l'aval) et en retrait (vers l'amont) du rebord aval 23 en seraient simplement inversées. Le cône de révolution imaginaire C possède également un demi-angle au sommet a. Le demi-angle au sommet a peut être compris entre 30 et 85°. En dehors de cette plage de valeurs, l'effet de l'inclinaison du rebord aval 23 peut toujours être présent mais sera moins prononcé. Il apparaît clairement sur la figure 2 que dans le mode de réalisation représenté, toute section transversale du premier conduit 11 dans sa partie aval est d'aire inférieure à celle d'une section transversale dudit premier conduit dans sa partie amont. De cette façon, l'encombrement du premier conduit 11 n'est pas supérieur à celui d'un premier conduit cylindrique classique, ce qui présente des avantages en termes de masse, de coûts, de fabrication et d'intégration. Ceci est rendu possible grâce à un rétrécissement du premier conduit 11. Ainsi, à la cote axiale M située entre la partie amont de la paroi et le rebord aval de la paroi, l'aire de la section transversale du premier conduit 11 peut atteindre un minimum. 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. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés 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. Élément d'injection (10) d'un mélange d'au moins un premier ergol (El) et un deuxième ergol (E2) dans une chambre de combustion (4,6), comprenant un premier conduit (11) pour l'injection du premier ergol (El) suivant un axe principal (X) du premier conduit, un deuxième conduit (12) pour l'injection du deuxième ergol (E2), le deuxième conduit étant annulaire, coaxial et adjacent au premier conduit (11), le premier conduit et le deuxième conduit étant séparés par une paroi (20) ayant une surface interne (21), une surface externe (22) et un rebord aval (23), ladite paroi ayant une forme telle qu'en aval, sa section transversalement à l'écoulement est non circulaire, l'élément d'injection (10) étant caractérisé en ce que le rebord aval (23) de la paroi est incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe principal (X) du premier conduit. 2. Élément d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une section transversale, la distance entre l'axe principal (X) du premier conduit et la surface interne (21) de la paroi évolue le long du périmètre de ladite surface interne selon une première fonction périodique. 3. Élément d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première fonction est sinusoïdale. 4. Élément d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (20) a une forme telle qu'en amont, sa section transversalement à l'écoulement est sensiblement circulaire. 5. Élément d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rebord aval (23) est inscrit dans un cône de révolution (C) imaginaire. 6. Élément d'injection selon la revendication 6, caractérisé en ce que le cône (C) a un demi-angle au sommet (a) compris entre 30 et 85° 7. Élément d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que toute section transversale du premier conduit (11) dans sa partie aval est d'aire inférieure à celle d'une section transversale dudit premier conduit dans sa partie amont. 8. Injecteur comportant un ou plusieurs éléments d'injection (10) suivant une quelconque des revendications précédentes. 9. Chambre de combustion (4,6) comportant au moins un injecteur suivant la revendication précédente. 10. Moteur fusée (1) comportant au moins une chambre de combustion (4,6) suivant la revendication précédente.