FR2948749A1 - Systeme d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

Abstract

Système (126) d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine, comportant des moyens (140) de support de la tête d'un injecteur de carburant et deux rangées annulaires coaxiales de trous (170, 172), qui sont séparées l'une de l'autre par un venturi, ces trous étant inclinés en directions circonférentielle et axiale, le flux d'air délivré par les trous (170) de la rangée annulaire amont étant destiné à tourner à l'intérieur du venturi et à balayer la tête de l'injecteur pour empêcher un retour de flamme vers l'injecteur.

Description

Système d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine

La présente invention concerne un système d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une chambre annulaire de combustion du type à flux direct d'une turbomachine comprend deux parois de révolution, respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre comportant des orifices dans chacun desquels est monté un système d'injection de carburant. Un carénage annulaire est fixé aux extrémités amont des parois de révolution de la chambre et comprend des ouvertures alignées axialement avec les orifices de la paroi de fond de chambre, pour le montage des injecteurs de carburant et le passage de l'air d'alimentation des systèmes d'injection. Une chambre annulaire de combustion du type à flux inversé de turbomachine comprend deux parois de révolution coaxiales qui sont reliées à leurs extrémités aval par une paroi de fond de chambre comportant des orifices de montage de systèmes d'injection de carburant. Les extrémités amont des parois de la chambre sont coudées de façon à orienter vers l'aval la sortie des gaz de combustion de la chambre. Dans la technique actuelle, un système d'injection d'une chambre de combustion comprend des moyens de support de la tête d'un injecteur de carburant et deux vrilles radiales, respectivement interne et externe ou amont et aval, qui sont disposées en aval des moyens de support de la tête de l'injecteur, coaxialement à ces moyens, et qui sont séparées l'une de l'autre par un venturi. La vrille interne est destinée à délivrer un flux d'air radial tournant à l'intérieur du venturi et la vrille externe est destinée à délivrer un flux d'air radial tournant à l'extérieur du venturi. La carburant amené par l'injecteur est destiné à se mélanger aux flux d'air délivrés par les vrilles puis à être brûlé dans la chambre de combustion. Les moyens de support de la tête de l'injecteur comporte en outre des orifices de purge sensiblement axiaux pour le passage d'un flux d'air destiné à balayer la tête de l'injecteur pour empêcher un retour de flamme vers l'injecteur. Cette technologie de système d'injection présente toutefois des inconvénients liés à la perméabilité et à l'encombrement relativement importants de ce système (et en particulier des vrilles de ce système), qui l'empêche d'être utilisé dans un moteur de turbomachine de taille relativement petite. La perméabilité d'un système d'injection (qui est égale à la somme des sections des orifices et canaux de passage d'air du système) influe sur les pertes de charge en fond de chambre, plus ces pertes de charge étant importantes et plus les émissions de gaz polluants de la chambre étant faibles. La perméabilité d'un système d'injection doit donc être déterminée avec le plus de précision possible. Cependant, chaque vrille d'un système d'injection est réalisée par électroérosion EDM et est définie par de nombreux paramètres tels que des rayons interne et externe, un nombre d'aubages, une épaisseur de matière des aubages, un angle de calage des aubages, etc. Il est possible de diminuer la perméabilité d'une vrille d'un système d'injection, c'est-à-dire la somme des sections des canaux de passage d'air de la vrille, en modifiant un ou plusieurs des paramètres précités. Cependant, les tolérances de fabrication des vrilles du système d'injection sont telles qu'il est difficile de régler avec précision la perméabilité du système. La perméabilité d'un système d'injection de la technique actuelle est de l'ordre de 200mm2 environ. Par ailleurs, les vrilles d'un système d'injection sont relativement encombrantes en direction radiale et empêchent la fabrication d'un système ayant une dimension radiale plus petite.

On a déjà proposé dans la demande FR 2 903 169 de diminuer le diamètre externe d'un système d'injection. Ce système d'injection comprend des moyens de support de la tête d'un injecteur, une vrille interne délivrant un flux d'air à l'intérieur d'un venturi, et une rangée annulaire de trous tourbillonnaires délivrant un flux d'air à l'extérieur du venturi, cette rangée annulaire de trous tourbillonnaires remplaçant la vrille externe d'un système d'injection dans la technologie précitée. Cependant, l'encombrement radial et la perméabilité de ce système d'injection sont encore trop importants (perméabilité de l'ordre de 100mm2). Par ailleurs, les moyens de support de la tête de l'injecteur comprennent des orifices de purge du type précité dont la présence empêche la réduction de la dimension radiale de ces moyens de support et donc de l'encombrement radial du système. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes. Elle a pour objet un système d'injection de carburant ayant un faible 15 encombrement radial et une perméabilité comprise entre 30 et 80mm2, et par exemple de l'ordre de 30-36mm2. Elle propose à cet effet un système d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comportant des moyens de support de la tête d'un injecteur de carburant et deux rangées 20 annulaires coaxiales de canaux de passage d'air en direction centripète, respectivement amont et aval, qui sont disposées en aval des moyens de support et séparées l'une de l'autre par un venturi, caractérisé en ce que les canaux de chaque rangée annulaire sont formés par des trous inclinés en direction circonférentielle et en direction axiale d'amont en aval vers 25 l'intérieur, le flux d'air délivré par les trous de la rangée annulaire amont étant destiné à tourner à l'intérieur du venturi et à balayer la tête de l'injecteur pour empêcher un retour de flamme vers l'injecteur. Chaque vrille radiale du système d'injection de la technique antérieure est remplacée dans l'invention par une rangée annulaire de 30 trous inclinés, ce qui permet de simplifier la fabrication du système, de réduire son encombrement radial et de déterminer avec plus de précision la perméabilité du système. Les trous inclinés de chaque rangée ont par exemple en section une forme sensiblement circulaire ou oblongue, et peuvent être formés par perçage. Ces trous sont inclinés en direction circonférentielle et en direction axiale de façon à ce que les flux d'air sortant de ces trous tournent autour de l'axe longitudinal du système, respectivement à l'intérieur et à l'extérieur du venturi. L'inclinaison en direction axiale des trous de la rangée annulaire amont assure en outre le balayage de la tête de l'injecteur, ce qui évite un retour de flamme vers l'injecteur. Cette fonction était assurée dans la technique antérieure par les orifices de purge des moyens de support. La présente invention permet donc de supprimer les orifices de purge des moyens de support du système d'injection, le diamètre externe de ces moyens de support pouvant être réduit pour diminuer l'encombrement radial global du système d'injection. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de support de la tête de l'injecteur sont donc dépourvus d'orifices de passage d'air. De manière générale, la présente invention permet de réduire la masse et le coût de fabrication d'un système d'injection de carburant pour une turbomachine.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les trous de chaque rangée annulaire sont inclinés axialement d'un angle compris entre 50 et 80°, et par exemple entre 60 et 70°, par rapport à l'axe longitudinal du système. Les trous de chaque rangée annulaire peuvent être inclinés en direction circonférentielle d'un angle compris entre 45 et 70°, et par exemple entre 55 et 65°, par rapport à un rayon passant par l'axe longitudinal du système. De préférence, les trous de chaque rangée débouchent à leurs extrémités radialement externes sur une surface sensiblement tronconique qui s'étend autour de l'axe longitudinal du système et qui est inclinée d'amont en aval vers l'extérieur. Cette surface tronconique permet de guider l'air d'alimentation des trous et de limiter les pertes de charge à l'entrée de ces trous. Le système selon l'invention peut comprendre un élément annulaire dans lequel sont formés les trous des rangées annulaires, cet élément annulaire étant avantageusement formé d'une seule pièce avec le venturi. Il peut en outre être formé d'une seule pièce avec les moyens de support de la tête de l'injecteur. L'élément annulaire peut comprendre une face radiale amont présentant des évidements d'allègement qui sont chacun alignés axialement avec un espace situé entre deux trous consécutifs de la rangée annulaire amont. Cet élément annulaire peut être réalisé de fonderie. La présente invention concerne également une chambre annulaire de combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est du type à flux direct ou inversé et comprend au moins un système d'injection de carburant du type précité.

L'invention concerne enfin une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système d'injection tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un diffuseur et d'une chambre annulaire de combustion de turbomachine, cette chambre étant équipée d'un système d'injection de carburant selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle du système d'injection de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un système d'injection de carburant selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique en perspective et en coupe axiale du système d'injection de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale du système d'injection de la figure 3 ; - les figures 6 et 7 sont des vues schématiques en coupe selon les lignes AA et BB de la figure 5, respectivement ; - les figures 8 et 9 sont des vues schématiques en perspective et en coupe selon la ligne CC de la figure 6 et la ligne DD de la figure 7, respectivement ; - les figures 10 et 11 sont des vues schématiques en perspective et de côté, respectivement, d'une variante de réalisation du système d'injection 10 selon l'invention. La figure 1 représente une chambre annulaire de combustion 10 d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cette chambre étant agencée en sortie d'un diffuseur 12, lui-même situé en sortie d'un compresseur (non représenté). 15 La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 14 et une paroi de révolution externe 16 qui sont reliées en amont par une paroi annulaire 18 de fond de chambre. Un carénage annulaire 20 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 de la chambre et comprend des ouvertures 22 de passage 20 d'air alignées avec des orifices 24 de la paroi 18 de fond de chambre dans lesquels sont montés des systèmes 26 d'injection de carburant, le carburant étant amené par des injecteurs 28 régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre. Chaque injecteur comprend une tête 30 d'injection de carburant engagée dans un système d'injection 26 et alignée sur l'axe 25 d'un orifice 24 de la paroi de fond de chambre 18. Une partie du débit d'air 32 fourni par le compresseur et sortant du diffuseur 12 pénètre dans l'enceinte annulaire délimitée par le carénage 20, passe dans le système d'injection 26, et est ensuite mélangé au carburant amené par l'injecteur 28 et pulvérisé dans la chambre de combustion 10. 30 Le système d'injection 26, mieux visible en figure 2, comporte deux vrilles coaxiales, une vrille amont ou interne 34 et une vrille aval ou externe 36, qui sont séparées l'une de l'autre pas un venturi 38 et qui sont reliées en amont à des moyens 40 de support de la tête 30 de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur 42 qui est monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre.

Les vrilles 34, 36 comprennent chacune une pluralité d'aubes s'étendant sensiblement radialement autour de l'axe A des vrilles et régulièrement réparties autour de cet axe pour délivrer des flux d'air tourbillonnants en aval de la tête d'injection 30. Les aubes délimitent entre elles des canaux de passage d'air, qui sont inclinés ou incurvés autour de l'axe A des vrilles. Les moyens 40 de support de la tête d'injection 30 comprennent une bague 44 traversée axialement par la tête d'injection 30 et montée coulissante dans une douille 46 fixée sur la vrille interne 34. La bague 44 comprend un rebord annulaire 48 s'étendant radialement vers l'extérieur et logé dans une gorge annulaire de la douille 46, le diamètre interne de la gorge de la douille 46 étant supérieur au diamètre externe du rebord 48 de la bague 44. Le rebord 48 de la bague 44 comporte des orifices de purge 50 sensiblement axiaux pour le passage d'un flux d'air destiné à balayer la tête 30 de l'injecteur pour éviter un retour de flamme vers l'injecteur en fonctionnement. Le bol mélangeur 42 a une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 52, s'étendant vers l'amont et monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre. L'extrémité amont de la paroi tronconique du bol 42 est reliée à une pièce annulaire intermédiaire 54 fixée sur la vrille externe 36. La paroi tronconique du bol 42 comporte une rangée annulaire d'orifices 56 de passage d'air, s'étendant autour de l'axe A. Le bol 42 comporte en outre, au voisinage de son rebord 52, une seconde rangée annulaire d'orifices 58 de passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter sur une collerette annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol. Le venturi 38 a en section une forme sensiblement en L et comprend à son extrémité amont un rebord annulaire externe 60 s'étendant radialement vers l'extérieur et intercalé axialement entre les deux vrilles 34, 36. Le venturi 38 s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille externe 36 et sépare les écoulements d'air issus des vrilles interne 34 et externe 36. Le venturi 38 délimite intérieurement une chambre de prémélange dans laquelle une partie du carburant éjecté se mélange au flux d'air délivré par la vrille interne 34, ce prémélange air/carburant se mélangeant ensuite en aval du venturi au flux d'air provenant de la vrille externe 36 pour former un cône de carburant pulvérisé à l'intérieur de la chambre. Cependant, cette technologie de système d'injection présente les inconvénients décrits plus haut, qui sont liés à son encombrement radial important et au fait que sa perméabilité (et en particulier celles de ses vrilles) ne peut être déterminée avec précision. L'invention permet de remédier à ce problème grâce au remplacement de chaque vrille du système d'injection par une rangée annulaire de trous s'étendant autour de l'axe longitudinal du système, les trous de chaque rangée annulaire étant inclinés en directions circonférentielle et axiale pour assurer les fonctions des vrilles précitées ainsi que des orifices de purge des moyens de support de la technique antérieure.

Dans l'exemple de réalisation de l'invention représenté aux figures 3 à 9, les éléments déjà décrits en référence aux figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes chiffres augmentés d'une centaine. Le système d'injection 126 selon l'invention comprend ici un élément annulaire 168 dans lequel sont formés, par exemple par perçage, les deux rangées annulaires précitées de trous 170, 172, cet élément annulaire 168 étant formé d'une seule pièce avec le venturi 138.

Cet élément annulaire 168 a une forme sensiblement cylindrique et est relié par sa surface cylindrique interne à la périphérie externe du rebord annulaire amont 160 du venturi 138. Les trous 170, 172 de chaque rangée débouchent à leurs extrémités radialement externes sur une surface cylindrique 174, 176 de l'élément 168, la surface cylindrique 174 sur laquelle débouche les trous 170 de la rangée amont ayant un diamètre légèrement supérieur à celui de la surface cylindrique 176 sur laquelle débouche les trous 172 de la rangée aval.

Les trous de la rangée amont 170 débouchent à leurs extrémités radialement internes en amont du rebord 160 du venturi et les trous 172 de la rangée aval débouchent à leurs extrémités radialement internes en aval du rebord 160 du venturi. L'élément annulaire 168 peut être réalisé de fonderie.

Cet élément 168 est fixé à son extrémité amont à des moyens 140 de support de la tête d'un injecteur. Ces moyens de support 140 comportent ici une bague 144 traversée par la tête de l'injecteur et comportant un rebord annulaire 148 fixé par sa périphérie externe sur l'extrémité amont de l'élément 168. Au contraire de la technique antérieure, cette bague 144 est dépourvue d'orifices de passage d'air. Le bol 142 du système d'injection selon l'invention est similaire à celui précédemment décrit en référence à la figure 2, et est fixé par son extrémité amont à une pièce intermédiaire 154 fixée sur l'extrémité aval de l'élément 168.

Comme cela est mieux visible aux figures 5 à 9, les trous 170, 172 de chaque rangée sont inclinés en direction circonférentielle et en direction axiale. Les trous 170 de la rangée amont sont inclinés en direction circonférentielle d'un angle a compris entre 45 et 70° environ, de préférence entre 55 et 65°, et par exemple de l'ordre de 60°, par rapport à un rayon à l'axe longitudinal A du système d'injection (figures 5 et 7). Les trous 172 de la rangée aval sont inclinés en direction circonférentielle d'un angle a' compris entre 45 et 70° environ, de préférence entre 55 et 65°, et par exemple de l'ordre de 62°, par rapport à un rayon passant par l'axe longitudinal A du système d'injection (figures 5 et 6).

Les trous 170 de la rangée amont sont inclinés en direction axiale d'amont en aval vers l'intérieur d'un angle (3 compris entre 50 et 80° environ, de préférence entre 60 et 70°, et par exemple de l'ordre de 65°, par rapport à un rayon passant par l'axe longitudinal A du système d'injection (figure 9). L'inclinaison des trous 170 de la rangée amont permet au flux d'air délivré par ces trous de balayer la tête de l'injecteur de carburant et ainsi d'empêcher un retour de flamme vers l'injecteur, et d'assurer ainsi la fonction qui était dans la technique antérieure assurée par les orifices de purge des moyens de support de la tête d'injection. Les trous 172 de la rangée aval sont inclinés en direction axiale d'amont en aval vers l'intérieur d'un angle 13' compris entre 50 et 80° environ, de préférence entre 60 et 70°, et par exemple de l'ordre de 65°, par rapport à un rayon passant par l'axe longitudinal A du système d'injection (figure 8). Les trous 170, 172 ont en section une forme circulaire ou oblongue.

Leur géométrie et leur mode de fabrication permettent de déterminer avec précision la perméabilité (égale à la somme des sections de passage des trous) de chaque rangée de trous et la perméabilité globale du système d'injection. Les trous 170 de la rangée amont peuvent être orientés en direction circonférentielle dans le sens opposé à celui des trous 172 de la rangée aval de façon à ce que les flux d'air délivrés par les deux rangées de trous tournent dans des sens contraires et soient donc contra-rotatifs. En variante, les trous 170 et 172 des deux rangées sont orientés dans le même sens en direction circonférentielle de façon à ce que les flux d'air délivrés par ces trous tournent dans le même sens et soient donc corotatifs Les trous 170, 172 ont par exemple un diamètre compris entre 1 et 3mm. Dans la variante de réalisation des figures 10 et 11, le système d'injection 226 diffère de celui des figures 3 à 9 en ce que les moyens de support 240 de la tête d'injection sont formés d'une seule pièce avec l'élément annulaire 268 dans lequel sont formés les rangées annulaires de trous 270, 272. De plus, ces trous 270, 272 débouchent à leurs extrémités radialement externes sur des surfaces 274, 276 sensiblement tronconiques s'étendant vers l'aval et vers l'extérieur. La surface tronconique 174 sur laquelle débouche les trous 270 de la rangée amont a un diamètre externe maximal supérieur à celui de la surface tronconique 176 sur laquelle débouche les trous 272 de la rangée aval. Ces surfaces 274, 276 inclinées permettent de guider l'air et d'améliorer l'alimentation des trous 270, 272 en limitant les pertes de charge. Par ailleurs, l'élément annulaire 268 comprend à son extrémité amont une face radiale amont 280 présentant des évidements d'allègement 282 qui sont chacun alignés axialement avec un espace situé entre deux trous 270 consécutifs de la rangée annulaire amont. L'optimisation de la géométrie du système d'injection 226 selon l'invention permet de réduire notablement sa masse. Dans le cas particulier représenté dans les dessins, le système d'injection 226 obtenu de fonderie a une masse inférieure de 25% à celle d'un système d'injection du type à vrilles et de taille équivalente de la technique antérieure. Le système d'injection selon l'invention peut être monté dans une chambre de combustion à flux direct ou à flux inversé d'une turbomachine. Le système d'injection selon l'invention a un diamètre externe de l'ordre de 18-20mm alors que celui de la technique antérieure a un diamètre externe de l'ordre de 30-35mm.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Système (126) d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comportant des moyens (140) de support de la tête d'un injecteur de carburant et deux rangées annulaires coaxiales de canaux de passage d'air en direction centripète, respectivement amont et aval, qui sont disposées en aval des moyens de support et séparées l'une de l'autre par un venturi (138), caractérisé en ce que les canaux de chaque rangée annulaire sont formés par des trous (170, 172) inclinés en direction circonférentielle et en direction axiale d'amont en aval vers l'intérieur, le flux d'air délivré par les trous (170) de la rangée annulaire amont étant destiné à tourner à l'intérieur du venturi et à balayer la tête de l'injecteur pour empêcher un retour de flamme vers l'injecteur.
2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous (170, 172) de chaque rangée annulaire sont inclinés axialement d'un angle (13, 13') compris entre 50 et 80°, et par exemple entre 60 et 70°, par rapport à l'axe longitudinal (A) du système.
3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les trous (170, 172) de chaque rangée annulaire sont inclinés en direction circonférentielle d'un angle (a, a') compris entre 45 et 70°, et par exemple entre 55 et 65°, par rapport à un rayon passant par l'axe longitudinal (A) du système.
4. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous (270, 272) de la rangée annulaire débouchent à leurs extrémités radialement externes sur une surface sensiblement tronconique (274, 276) qui s'étend autour de l'axe longitudinal (A) du système et qui est inclinée d'amont en aval vers l'extérieur.
5. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément annulaire (168, 268) danslequel sont formés les trous des rangées annulaires, cet élément annulaire étant formé d'une seule pièce avec le venturi (138, 238).
6. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément annulaire (268) comprend une face radiale amont (280) présentant des évidements d'allègement (282) qui sont chacun alignés axialement avec un espace situé entre deux trous consécutifs de la rangée annulaire amont (270).
7. 7. Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'élément annulaire (168, 268) est réalisé de fonderie.
8. 8. Système selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'élément annulaire (268) est formé d'une seule pièce avec les moyens (240) de support de la tête de l'injecteur.
9. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous (170, 172) de chaque rangée annulaire sont formés par perçage et ont en section une forme sensiblement circulaire ou oblongue.
10. 10. Chambre annulaire de combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est du type à flux direct ou inversé et comprend au moins un système (126) d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes.
11. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système (126) d'injection de carburant selon l'une des revendications 1 à 9.