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CA 02363305 2001-11-19
PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UN INJECTEUR DE COMBUSTIBLE POUR CHAMBRE DE
COMBUSTION DE TURBOMACHINE
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
injecteurs de combustible dans les turbomachines et elle concerne plus
particulièrement l'assemblage des injecteurs d'une chambre de
combustion à deux têtes de ces turbomachines.
Art antérieur
Dans les chambres de combustion à deux têtes, on a coutume
d'appeler injecteurs pilotes les injecteurs assurant le
démarrage et les phases de ralenti du turboréacteur ou du
turbopropulseur (appelé dans la suite de la description turbomachine) et
injecteurs de décollage les injecteurs intervenant pendant les phases
de croisière. Les injecteurs pilotes sont alimentés en combustible en
permanence alors que les injecteurs de décollage ne sont alimentés qu'au
delà d'un régime minimum déterminé (compris en général entre 10 et 30%
du régime nominal). En outre, pendant les phases dites de stage-
burning , seule une moitié d'entre eux peut être en fonctionnement,
l'autre moitié de ces injecteurs de décollage étant alors temporairement à
l'arrêt.
On connaît différents types d'architectures d'injecteurs. Ainsi, la
demande de brevet internationale WO 94/08179 montre une structure
conventionnelle à deux têtes dont l'injecteur de décollage est représenté
sur la figure 3 et l'injecteur pilote sur la figure 4. Ces deux injecteurs se
caractérisent essentiellement par une partie terminale comportant un
nombre élevé de pièces et nécessitant le recours à des joints d'étanchéité
pour assurer l'étanchéité entre circuits primaire et secondaire.
Il en résulte, d'une part, une complexité dans la fabrication et
l'assemblage de ces injecteurs et, d'autre part, dans certaines conditions
3o de fonctionnement, notamment pour des températures élevées, une
détérioration des performances liée à une diminution importante de la
durée de vie de la chambre de combustion et/ou de la turbine, voire à une
destruction de l'injecteur et corrélativement de celle de la turbomachine.
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Objet et définition de l'invention
La présente invention a pour objet un procédé d'assemblage d'une
partie terminale d'un injecteur qui pallie les inconvénients précités. Un but
de l'invention est donc de réaliser cette partie terminale avec un nombre
minimum de pièces et dans un encombrement réduit. Un autre but de
l'invention est d'intégrer dans cette partie terminale d'injecteur un circuit
de refroidissement de façon à permettre une utilisation de l'injecteur à très
haute température.
Ces buts sont atteints par un procédé d'assemblage de la partie
terminale d'un injecteur d'une chambre de combustion de turbomachine
comportant des moyens de délivrance d'un combustible primaire
comprenant un premier tube d'alimentation auquel est raccordée une
pièce annulaire d'injection comportant des premiers orifices d'injection
pour décharger le combustible primaire dans ladite chambre de
combustion et des moyens de délivrance d'un combustible secondaire
comprenant un second tube d'alimentation entourant ledit premier tube et
auquel est raccordé un embout cylindrique entourant ladite pièce
annulaire d'injection et comportant des seconds orifices d'injection pour
décharger le combustible secondaire dans ladite chambre de combustion,
procédé caractérisé en ce que, ledit embout cylindrique et ladite pièce
annulaire d'injection étant pourvus de puits radiaux pour recevoir un métal
d'apport, il est procédé tout d'abord à un remplissage desdits puits par
ledit métal d'apport; puis ladite pièce annulaire d'injection est montée
dans ledit embout cylindrique et ces pièces sont à leur tour montées sur
lesdits premier et second tubes d'alimentation en combustibles primaires
et secondaire et sur une paroi externe de l'injecteur; et enfin la partie
terminale de l'injecteur ainsi assemblée est placée dans une enceinte où
elle sera chauffée pour permettre une fusion du métal d'apport avec
lesdites pièces.
Avec l'emploi de cette technique de brasure, l'assemblage de la
partie terminale d'un injecteur est considérablement simplifié et hautement
fiabilisé tout en étant accéléré. De plus, le très peu de pièces nécessaires
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à la réalisation d'une telle partie terminale d'injecteur (seulement deux
pièces aboutées aux tubes d'alimentation dans le mode préférentiel de
réalisation) en facilite notablement la maintenance ultérieure.
Avantageusement, le montage de ladite pièce annulaire d'injection
sur ledit premier tube d'alimentation est effectué via une pièce cylindrique
de liaison comportant des puits radiaux pour la réception du métal
d'apport. L'adjonction de cette troisième pièce permet une simplification
de l'usinage de la pièce annulaire d'injection et facilite son remplacement
éventuel.
Selon un mode de réalisation plus particulièrement destiné à
l'assemblage d'un injecteur de décollage, préalablement au montage de
ladite paroi externe de l'injecteur, il est procédé au montage d'une paroi
de séparation dans ledit embout cylindrique, une extrémité aval de cette
paroi étant fixée sur un troisième tube de délivrance d'un fluide de
refroidissement entourant lesdits premier et second tubes d'alimentation.
De préférence, le métal d'apport est constitué à base d'or ou de
nickel et l'enceinte est portée à une température déterminée comprise
entre 600 et 1100 C et fonction de la nature des pièces à assembler et du
métal d'apport utilisé.
La présente invention concerne également une partie terminale
d'injecteur de combustible pour chambre de combustion de turbomachine
réalisé selon le procédé d'assemblage par brasure précité.
Brève description des dessins
Les caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non
limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique illustrant le circuit de refroidissement
des injecteurs de combustible d'une turbomachine,
- la figure 2 est une vue détaillée très agrandie d'une partie terminale d'un
injecteur de décollage selon la présente invention,
- la figure 3 est vue en coupe selon le plan III-III de la figure 2,
- la figure 4 est vue en coupe selon le plan IV-IV de la figure 2,
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- la figure 5 est une vue détaillée très agrandie d'une partie terminale d'un
injecteur pilote selon la présente invention,
- la figure 6 est une vue en perspective éclatée de la partie terminale de
l'injecteur de la figure 2, et
- la figure 7 est une vue en perspective avec une partie arrachée de la
partie terminale de l'injecteur de la figure 2.
Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel
La figure 1 illustre de façon schématique les circuits de combustible
et de refroidissement des injecteurs d'une chambre de combustion
annulaire à deux têtes d'une turbomachine.
Le circuit de refroidissement, représenté au niveau de seulement
deux injecteurs pour en faciliter la compréhension (une telle chambre de
combustion peut en effet comporter par exemple 20 injecteurs pilotes et
40 injecteurs de décollage sans que ces nombres soient limitatifs), est
alimenté depuis une source d'alimentation 10 par un fluide de
refroidissement autonome (tel que de l'huile, de l'eau ou tout autre fluide
adapté) ou non, qui traverse tout d'abord un injecteur 12 dit pilote qui
assure l'allumage de la turbomachine et son fonctionnement en mode de
ralenti (à faible puissance) puis, alimentés en parallèle (selon le principe
d'une rampe paire et d'une rampe impaire), deux injecteurs 14, 16 dit de
décollage qui assurent son fonctionnement durant les phases de
croisière (et notamment à pleine puissance), avant de retourner vers la
source d'alimentation 10 fermant ainsi le circuit de refroidissement (bien
entendu ce circuit comportera en outre classiquement une pompe
d'alimentation en fluide de refroidissement, des filtres et divers organes
hydrauliques de régulation du débit de ce fluide).
La structure de ces injecteurs pilotes et de décollage, de type
3o aéromécanique, est identique en ce qui concerne le circuit de combustible
et sa régulation, avec deux circuits de combustible, un circuit primaire
120, 140 pour les petits débits et un circuit secondaire 122, 142 pour les
gros débits. Un clapet d'arrêt 124, 144 assure l'étanchéité de l'injecteur à
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l'arrêt vis à vis d'une source d'alimentation en combustible 18 et un clapet
doseur 126, 146 régule le circuit secondaire afin de garantir de bonnes
performances à la commutation entre les circuits primaires et
secondaires. Chaque circuit est en outre pourvu à sa partie terminale d'un
5 swirler 128, 130 ; 148, 150 qui assure de par sa géométrie la pulvérisation
(mise en rotation) du combustible.
Au niveau des injecteurs pilotes 12, le circuit de refroidissement se
limite à entourer le clapet doseur 126 au niveau de sa tête de clapet, alors
que dans les injecteurs de décollage 14, 16, ce circuit descend jusqu'à
1o l'extrémité terminale du nez de ces injecteurs avant de remonter vers le
clapet doseur 146 qu'il entoure également. Il est en effet connu que le
problème de la formation de coke est essentiellement présent au niveau
des injecteurs de décollage qui peuvent être soumis à des températures
élevées en raison de la non circulation du combustible durant certaines
phases de fonctionnement (stage-burning) alors que la température aux
extrémités des injecteurs pilotes ne dépasse pas quant à elle la limite de
cokéfaction (150 C) grâce à la circulation du fluide pendant toutes les
phases de fonctionnement. Dès lors le refroidissement des injecteurs
pilotes au niveau de leur extrémité n'est en principe pas nécessaire.
Toutefois, rien n'empêche bien entendu d'adopter une structure de
refroidissement identique pour ces deux types d'injecteurs, ce qui permet
alors une simplification du processus général d'usinage des injecteurs.
Les figures 2 et 3 montrent, en détail, la partie terminale, ou nez,
s'étendant dans la chambre de combustion 20 d'un injecteur de décollage
14, 16 conforme à l'invention. Cette représentation est volontairement très
agrandie pour en faire apparaître les détails significatifs. En effet, il est
important de noter qu'un injecteur réel présente dans cette partie
d'extrémité un diamètre de l'ordre de 10 à 15 mm seulement.
L'injecteur comporte à cette partie terminale une pièce annulaire
3o d'injection 152, d'axe longitudinal 154 (correspondant à l'axe central de
l'injecteur), montée dans un alésage interne 156 d'un embout cylindrique
158 fixé par brasage sur l'extrémité de la paroi externe 160 de cet
injecteur. Le brasage de ces deux pièces 158, 160 est réalisé à partir de
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réserves de brasure (métal d'apport) disposées dans des puits 159a,
159b percés radialement à l'extrémité amont de l'embout 158 et d'où
s'échappera par capillarité lors d'une étape unique de chauffage le métal
d'apport assurant la liaison solidaire des deux pièces. Cet embout
comporte une gorge annulaire 162 qui entoure l'alésage interne 156, dont
la profondeur s'étend au delà de l'extrémité de la pièce annulaire
d'injection 152, et est séparée de ce dernier par un manchon cylindrique
164 dont l'extrémité amont est aussi fixée par brasage sur une partie
centrale cylindrique 166a d'une pièce de liaison 166. Cette pièce
io cylindrique 166 comporte dans cette partie centrale et s'étendant dans
une partie aval 166b, un alésage axial borgne 168 à l'extrémité libre
duquel est fixé également par brasage l'extrémité d'un premier tube
d'alimentation 170 pour amener du combustible primaire depuis le corps
de l'injecteur de décollage 172 auquel ce tube est raccordé en amont (ce
corps étant fixé lui même de façon classique sur le carter de la
turbomachine non représenté). Ici encore, le brasage des trois pièces
164, 166a, 170 est réalisé à partir de réserves de brasure disposées dans
des puits 165a, 165b, 165c percés radialement dans la partie centrale
166a et d'où s'échappera par capillarité lors de l'étape de chauffage le
métal d'apport assurant la liaison solidaire de cette pièce centrale avec le
manchon 164 d'une part et le tube central 170 d'autre part. La partie aval
166b de cette pièce cylindrique 166 qui présente un diamètre moindre que
la partie centrale est emboîtée en partie et fixée par brasage dans un
alésage intérieur 174 de la pièce annulaire d'injection 152 (au moyen de
réserves de brasure disposées dans des puits 175a, 175b -percés
radialement dans cette pièce annulaire 152) alors que sa partie amont
166c qui présente un diamètre supérieur (correspondant à l'épaisseur du
manchon 164) à celui de la partie centrale est fixée par brasage à
l'extrémité d'un second tube d'alimentation 176, coaxial au précédent et
3o de diamètre supérieur, pour amener du combustible secondaire depuis le
corps de l'injecteur de décollage 172 auquel ce second tube est
également raccordé en amont. Une nouvelle fois, le brasage de ces deux
pièces 166c, 176 est réalisé à partir de réserves de brasure disposées
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dans des puits 177a, 177b percés radialement à l'extrémité amont de la
pièce 166c et d'où s'échappera par capillarité lors de étape de chauffage
le métal d'apport assurant la liaison solidaire des deux pièces. Ce second
tube débouche dans une cavité interne annulaire 178 pratiquée dans la
partie amont 166c et percée d'orifices longitudinaux 180 (par exemple
trois orifices régulièrement répartis) pour la circulation du combustible
secondaire dans la pièce 166.
La pièce de liaison 166 est en outre également percée, au niveau
de son extrémité borgne, d'orifices transversaux 182a, 182b, 182c
io destinés à mettre en communication son alésage axial 168 avec l'alésage
intérieur 174 de la pièce annulaire d'injection 152 (de préférence ces
orifices transversaux alternent avec les puits radiaux 165a, 165b, 165c
comme l'illustre la figure 4). De même, son extrémité libre aval est percée
de canaux hélicoïdaux 184 (formant le swirler primaire 148) destinés à
une mise en rotation du combustible primaire issu du premier tube
d'alimentation 170 et parcourant successivement l'alésage axial 168,
l'alésage intérieur 174 et les orifices transversaux 182. De même, la pièce
annulaire d'injection 152 est munie, sur sa paroi externe en contact avec
l'alésage interne 156 de l'embout cylindrique 158, de gorges hélicoïdales
186 (formant le swirler secondaire 150) destinées à une mise en rotation
du combustible secondaire issu du second tube d'alimentation 176 et
parcourant successivement la cavité annulaire 178, les orifices
transversaux 180 et l'alésage interne 156. A son extrémité libre, non
solidaire de la pièce de liaison 166, cette pièce annulaire d'injection 152
comporte un premier orifice d'injection 188 muni d'un cône de décharge
primaire pour le combustible primaire sortant des canaux hélicoïdaux 184.
De même, pour le combustible secondaire sortant des gorges hélicoïdales
186, il est prévu que l'alésage interne 156 de l'embout cylindrique 158
entourant la pièce annulaire 152 soit terminé par un second orifice
3o d'injection 190 portant un cône de décharge secondaire concentrique au
précédent.
Outre les moyens de délivrance de l'injecteur en combustibles
primaire et secondaire décrits précédemment, l'injecteur de décollage
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comporte des moyens de délivrance spécifique en fluide de
refroidissement permettant un refroidissement intégral de l'injecteur avec
une extraction de calories maximale. Pour cela, un élément de séparation
tubulaire 192 est introduit dans la gorge annulaire 162 de l'embout 158 de
façon à définir de part et d'autre de cet élément des premier 194 et
second 196 espaces annulaires coaxiaux dans desquels un fluide de
refroidissement pourra circuler sous pression. Le passage du fluide de
refroidissement entre ces deux espaces annulaires est assuré par une
pluralité d'orifices de passage 198 pratiqués dans cet élément de
séparation au niveau de son extrémité aval reposant au fond de la gorge
162 et s'étendant au delà du premier orifice d'injection 188, garantissant
ainsi un refroidissement jusqu'à l'extrémité de l'injecteur. L'extrémité
amont de cet élément de séparation est quant à elle fixée par brasage sur
un troisième tube 200, coaxial aux premier et second tubes d'alimentation
170, 176, mais de diamètre légèrement supérieur, et, comme ces
derniers, raccordé en amont au corps de l'injecteur 172. Comme pour les
liaisons brasées précédentes, la liaison entre les pièces 192 et 200 peut
être réalisée au moyen de réserves de brasure disposées soit dans des
puits percés radialement à l'extrémité amont de la pièce de séparation
192 et d'où elle s'échappera par capillarité lors de l'étape de chauffage
pour assurer la liaison solidaire des deux pièces soit, plus simplement,
étalées directement entre elles 193. Le tube 200 définit ainsi un premier
conduit annulaire 202 autour du second tube d'alimentation 176 pour
l'introduction du fluide de refroidissement et un second conduit annulaire
204 entre ce tube 200 et la paroi externe de l'injecteur 160 pour son retour
à la source de fluide 10 après avoir parcouru à l'aller et au retour toute la
longueur de l'injecteur via les espaces annulaires 194, 196. Cette
configuration en aller/retour sur toute la longueur des conduits
d'alimentation en combustibles primaire et secondaire avec un conduit de
3o refroidissement entourant complètement ces conduits d'alimentation
permet un pompage maximal de calories au contraire des dispositifs de
l'art antérieur qui comportent le plus souvent un conduit aller sur un coté
de l'injecteur et un conduit retour sur l'autre coté.
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La figure 5 illustre la partie terminale d'un injecteur pilote assemblé
conformément à l'invention. La structure de cet injecteur est tout à fait
similaire à celle de l'injecteur de décollage à l'exception du circuit de
refroidissement qui fait défaut sur cet injecteur. On retrouve donc les
mêmes composants qui portent d'ailleurs les mêmes références (au
premier chiffre près). Ainsi, l'injecteur pilote comporte à cette extrémité
terminale une pièce annulaire d'injection 252, d'axe longitudinal 254
montée dans un alésage interne 256 d'un embout cylindrique 258 fixé par
brasage sur l'extrémité de la paroi externe 260 de cet injecteur. Le
io brasage de ces deux pièces 258, 260 est réalisé à partir de réserves de
brasure disposées dans des puits 259a, 259b percés radialement à
l'extrémité amont de l'embout 258 et d'où s'échappera par capillarité lors
d'une étape unique de chauffage le métal d'apport assurant la liaison
solidaire des deux pièces. Cet embout, dans une partie intermédiaire, est
1s aussi fixé également par brasage sur une partie centrale cylindrique 266a
d'une pièce de liaison 266. Cette pièce cylindrique 266 comporte dans
cette partie centrale et s'étendant dans une partie aval 266b, un alésage
axial borgne 268 à l'extrémité libre duquel est fixé par brasage l'extrémité
d'un premier tube d'alimentation 270 pour amener du combustible
20 primaire depuis le corps de l'injecteur pilote 272 auquel ce tube est
raccordé en amont (ce corps étant fixé lui même de façon classique sur le
carter de la turbomachine non représenté). Ici encore, le brasage des trois
pièces 258, 266a, 270 est réalisé à partir de réserves de brasure
disposées dans des puits 265a percés radialement dans la partie centrale
25 cylindrique 166a et d'où s'échappera par capillarité lors de l'étape de
chauffage le métal d'apport assurant la liaison solidaire de cette pièce
centrale avec l'embout 258 d'une part et le tube central 270 d'autre part.
La partie aval 266b de cette pièce cylindrique 266 qui présente un
diamètre moindre que la partie centrale est emboîtée en partie et fixée
30 aussi par brasage dans un alésage intérieur 274 de la pièce annulaire
d'injection 252 (au moyen de réserves de brasure disposées dans des
puits 275a, 275b percés radialement dans cette pièce annulaire 252) alors
que sa partie amont 266c qui présente un diamètre supérieur à celui de la
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partie centrale est fixée par brasage à l'extrémité d'un second tube
d'alimentation 276, coaxial au précédent et de diamètre supérieur, pour
amener du combustible secondaire depuis le corps de l'injecteur pilote
272 auquel ce second tube est également raccordé en amont. Une
5 nouvelle fois, le brasage de ces deux pièces 266c, 276 est réalisé à partir
de réserves de brasure disposées dans des puits 277a, 277b percés
radialement à l'extrémité amont de la pièce 266c et d'où s'échappera par
capillarité lors de étape de chauffage le métal d'apport assurant la liaison
solidaire des deux pièces. Ce second tube débouche dans une cavité
io interne annulaire 278 pratiquée dans la partie amont 266c et percée
d'orifices longitudinaux 280 (par exemple trois orifices régulièrement
répartis) pour la circulation du combustible secondaire dans la pièce 266.
La pièce de liaison 266 est en outre également percée, au niveau
de son extrémité borgne, d'orifices transversaux 282b destinés à mettre
en communication son alésage axial 268 avec l'alésage intérieur 274 de la
pièce annulaire d'injection 252 (de préférence ces orifices transversaux
alternent avec les puits radiaux). De même, son extrémité libre aval est
percée de canaux hélicoïdaux 284 (formant le swirler primaire 128)
destinés à une mise en rotation du combustible primaire issu du premier
tube d'alimentation 270 et parcourant successivement l'alésage axial 268,
l'alésage intérieur 274 et les orifices transversaux 282. De même, la pièce
annulaire d'injection 252 est munie, sur sa paroi externe en contact avec
l'alésage interne 256 de l'embout cylindrique 258, de gorges hélicoïdales
286 (formant le swirler secondaire 130) destinées à une mise en rotation
du combustible secondaire issu du second tube d'alimentation 276 et
parcourant successivement la cavité annulaire 278, les orifices
transversaux 280 et l'alésage interne 256. A son extrémité libre, non
solidaire de la pièce de liaison 266, cette pièce annulaire d'injection 252
comporte un premier orifice d'injection 288 muni d'un cône de décharge
primaire pour le combustible primaire sortant des canaux hélicoïdaux 284.
De même, pour le combustible secondaire sortant des gorges hélicoïdales
286, il est prévu que l'alésage interne 256 de l'embout cylindrique 258
entourant la pièce annulaire 252 soit terminé par un second orifice
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d'injection 290 portant un cône de décharge secondaire concentrique au
précédent.
Le procédé d'assemblage des injecteurs sera maintenant explicité
au regard de la figure 6 qui est une vue éclatée avant assemblage (la
paroi de séparation et la paroi externe ne sont pas représentées) de la
partie terminale, ou nez, de l'injecteur de décollage illustré à la figure 2,
et
de la figure 7 qui est une vue en perspective de cette partie terminale une
fois assemblée (avec une partie arrachée). On notera que ce procédé
peut bien entendu s'appliquer pareillement à l'injecteur pilote de la figure
to 5.
Après un usinage individuel de chacune des trois pièces constituant
cette partie terminale de l'injecteur : l'embout 158, la pièce annulaire
d'injection 152 et la pièce centrale de liaison 166 (on notera que dans un
mode de réalisation non représenté, les pièces 152 et 166 peuvent être
1s réalisées en une pièce unique), l'assemblage comporte les étapes
suivantes : tout d'abord, il est procédé à un remplissage par un métal
d'apport des puits radiaux constituant les réserves de brasure de chacune
de ces trois pièces ; puis ces pièces sont assemblées entre elles et
l'ensemble ainsi constitué est monté sur les tubes d'alimentation en
20 combustibles primaires et secondaire puis sur la paroi externe de
l'injecteur; et le tout est enfin placé dans une enceinte où il sera chauffé
pour permettre une fusion du métal d'apport avec les pièces ainsi
assemblées.
Le brasage peut être effectué au four ou au gaz par exemple. Dans
25 le cas du brasage au gaz les pièces à assembler sont chauffées jusqu'à la
température de mouillage . Dès que celle-ci est atteinte, le métal
d'apport en fusion coule, remonte dans le jeu de 0.05 à 0.25 mm (l'espace
capillaire) existant entre les pièces, et réalise ainsi l'assemblage. Le
mouillage du métal d'apport est favorisé par une circulation du gaz. Dans
30 le cas d'un brasage au four, celui-ci est réalisé à une température
comprise entre 600 et 1100 C et fonction de la nature des pièces à
assembler et du métal d'apport utilisé. Ce métal d'apport est de
préférence constitué à base d'or ou de nickel.
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La simplicité de ce procédé d'assemblage entièrement par brasure
permet de fiabiliser notablement la fabrication des injecteurs qui n'est dès
lors plus dépendant de la qualité des soudures résultant antérieurement
d'un processus manuel ou de l'assemblage de multiples pièces comme du
montage de joints d'étanchéité.
