FR2970550A1 - Injecteur pour dispositif de combustion et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Injecteur (12) pour dispositif de combustion, comportant une vrille (34) d'un seul tenant. La vrille (34) d'un seul tenant comprend un corps central (46) s'étendant axialement le long de la vrille (34) d'un seul tenant, un premier passage (60) pour combustible à l'intérieur du corps central (46), et une pluralité d'aubes (48) s'étendant radialement depuis le corps central (46). Un procédé pour fabriquer un injecteur (12) pour dispositif de combustion comporte le moulage d'une vrille (34) d'un seul tenant ayant un corps central (46) et une pluralité d'aubes (48) s'étendant radialement depuis le corps central (46).
Description
B 12-0149FR 1 Injecteur pour dispositif de combustion et procédé de fabrication La présente invention concerne de façon générale un injecteur pour dispositif de combustion et un procédé de fabrication d'un tel injecteur. Les dispositifs de combustion sont connus dans la technique pour enflammer un combustible avec de l'air afin de produire des gaz de combustion à température et pression élevées. Par exemple, les systèmes de turbines à gaz, les moteurs d'aéronefs et de nombreux autres systèmes reposant sur la combustion comportent un ou plusieurs dispositifs de combustion qui mélangent un fluide de travail tel que de l'air avec un combustible et enflamment le mélange afin de produire des gaz de combustion à température et pression élevées. Globalement, chaque dispositif de combustion comporte un ou plusieurs injecteurs qui mélangent le fluide de travail avec le combustible avant la combustion. Si le combustible et l'air ne sont pas mélangés de manière homogène avant la combustion, des points chauds localisés sont susceptibles de se former dans le dispositif de combustion. Les points chauds localisés risquent d'accroître la production d'émissions de NOx indésirables et risquent d'accroître le risque que la flamme dans le dispositif de combustion ne revienne vers les injecteurs et/ou ne quitte pas l'intérieur des injecteurs, ce qui risque d'endommager les injecteurs. Bien que le retour de flamme et la rétention de flamme puissent survenir avec n'importe quel combustible, ils surviennent plus facilement avec des combustibles très réactifs tels que l'hydrogène, qui ont un taux de combustion plus léger et une plage d'inflammabilité plus large. I1 est bien connu que le rendement thermodynamique d'un système reposant sur la combustion augmente globalement à mesure qu'augmente la température de fonctionnement, en l'occurrence la température des gaz de combustion. Il existe diverses techniques pour permettre des températures de fonctionnement plus élevées tout en limitant fortement les émissions de NOx, le retour de flamme et la rétention de flamme. Nombre de ces techniques visent à réduire les points chauds localisés afin de réduire la production de NOx et/ou de réduire les zones à faible écoulement dans le but de réduire et/ou d'empêcher la survenance d'un retour de flamme ou d'une rétention de flamme. Par exemple, des améliorations continues dans la conception des injecteurs aboutissent à un mélange plus uniforme du combustible et de l'air avant la combustion dans le but de réduire ou d'empêcher la formation de points chauds localisés dans le dispositif de combustion. Selon une autre possibilité, ou en outre, des injecteurs ont été conçus pour assurer un débit minimal de combustible et/ou d'air dans l'injecteur afin de refroidir les surfaces des injecteurs et/ou d'empêcher la flamme du dispositif de combustion de revenir dans l'injecteur. Cependant, les modèles d'injecteurs perfectionnés risquent d'occasionner une hausse des coûts de fabrication, d'entretien et de réparation. Par exemple, des modèles d'injecteurs perfectionnés qui comprennent de multiples canaux de combustible, vrilles et buses de combustible accroissent ordinairement le nombre de joints brasés et/ou soudés dans l'injecteur. Ces joints sont relativement coûteux à réaliser et nécessitent davantage de contrôles et de réparations. Par conséquent, un modèle d'injecteur perfectionné qui réduise ou supprime des joints brasés dans l'injecteur serait souhaitable.
Une première forme de réalisation de la présente invention consiste en un injecteur pour dispositif de combustion qui comporte une vrille d'un seul tenant comprenant un corps central qui s'étend axialement le long de la vrille d'un seul tenant, un premier passage de combustible à l'intérieur du corps central et une pluralité d'aubes fixes s'étendant radialement depuis le corps central. Une autre forme de réalisation consiste en un injecteur pour dispositif de combustion qui comporte une vrille d'un seul tenant comprenant un corps central conçu pour recevoir un flux de combustible, une pluralité d'aubes fixes s'étendant radialement depuis le corps central, et une enveloppe entourant dans la direction circonférentielle au moins une partie de la pluralité d'aubes fixes La présente invention propose également un procédé pour fabriquer un injecteur pour dispositif de combustion, comportant le moulage d'une vrille d'un seul tenant ayant un corps central et une pluralité d'ailettes s'étendant radialement depuis le corps central. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue simplifiée en coupe d'un dispositif de combustion selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue écorchée en perspective d'un injecteur selon une première forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est une vue en plan de l'injecteur représenté sur la figure 2 ; - la figure 4 est une vue écorchée en perspective de la vrille d'un seul tenant représentée sur les figures 2 et 3 ; - la figure 5 est une vue en plan d'un injecteur selon une autre forme possible de réalisation de la présente invention ; et - la figure 6 est une vue écorchée en perspective de la vrille d'un seul tenant représentée sur la figure 5.
La figure 1 représente une coupe simplifiée d'un dispositif de combustion 10 selon une première forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté, le dispositif de combustion 10 peut comporter un ou plusieurs injecteurs 12 à disposition radiale dans un couvercle supérieur 14. Une enveloppe 16 peut entourer le dispositif de combustion 10 afin de contenir l'air ou le fluide de travail comprimé sortant du compresseur (non représenté). Un capot d'extrémité 18 et une chemise 20 entourant globalement la chambre de combustion 22 en aval des injecteurs 12. Un manchon d'écoulement 24 muni de trous d'écoulement 26 peut entourer la chemise 20 afin de définir un passage annulaire 28 entre le manchon d'écoulement 24 et la chemise 20. Au sens de la présente description, il est entendu que les termes "trous", "ouvertures", "orifices" et "passages" ont sensiblement la même signification et peuvent être employés comme synonymes les uns des autres. Le fluide de travail comprimé peut passer par les trous d'écoulement 26 présents dans le manchon d'écoulement 24 pour s'écouler le long de l'extérieur de la chemise 20 afin de créer un refroidissement par film ou par convexion de la chemise 20. Le fluide de travail comprimé s'écoule ensuite en sens inverse pour passer par le/les injecteurs 12 dans lesquels il se mélange à un combustible avant de s'enflammer dans la chambre de combustion 22 afin de produire des gaz de combustion à température et pression élevées. La figure 2 représente une vue écorchée en perspective et la figure 3 représente une vue latérale en coupe de l'injecteur 12 selon une première forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur les figures 2 et 3, l'injecteur 12 peut comporter une bride 30, un conditionneur 32 de flux d'entrée, une vrille 34 d'un seul tenant, un tube 36 de brûleur et une buse de diffusion 38. La bride 30 peut être fixée par des boulons ou autrement au capot d'extrémité 18 en une première extrémité et peut être soudée, fixée par des boulons ou montée autrement en amont de la vrille 34 d'un seul tenant à l'autre extrémité. Des passages internes 40 à l'intérieur de la bride 30 assurent une communication fluidique entre le capot d'extrémité 18 et la vrille 34 d'un seul tenant. La bride 34 peut être en acier ou en alliages d'acier capable de résister aux températures prévues et peut avoir une forme annulaire ou conique afin de réduire la résistance à l'écoulement lorsque le fluide de travail comprimé s'écoule autour de la bride 30 et pénètre dans le conditionneur 32 de flux d'entrée.
Le conditionneur 32 de flux d'entrée peut entourer le pourtour d'au moins une partie de la bride 30 et/ou de la vrille 34 d'un seul tenant afin d'améliorer la répartition de la vitesse du fluide de travail comprimé lorsqu'il s'écoule dans ou à travers la vrille 34 d'un seul tenant. Le conditionneur 32 de flux d'entrée peut comprendre une plaque perforée et/ou un ou plusieurs guides d'écoulement. Selon une autre possibilité, ou en outre, comme représenté sur les figures 2 et 3, le conditionneur 32 de flux d'entrée peut comprendre un manchon annulaire 32 avec une ouverture évasée 42, et le manchon annulaire 32 peut définir un passage d'écoulement 44 entre la bride 30 et/ou la vrille 34 d'un seul tenant et le manchon annulaire 32. La figure 4 présente une vue en perspective en coupe de la vrille 34 d'un seul tenant représentée sur les figures 2 et 3. Comme représenté, la vrille 34 est une pièce monobloc ou d'un seul tenant qui peut être forgée ou moulée en acier ou alliages d'acier capable de résister aux températures prévues. Globalement, la vrille 34 d'un seul tenant comprend un corps central 46, une pluralité d'aubes 48 et/ou une enveloppe 50. Le corps central 46 est globalement constitué par une chambre ou un tube annulaire 46 aligné avec et s'étendant le long d'un axe central 52 de l'injecteur 12 pour créer une communication fluidique par l'intermédiaire de la vrille 34 d'un seul tenant. Comme représenté sur les figures 2 à 4, la vrille 34 d'un seul tenant peut en outre comprendre un tube 54 à l'intérieur d'au moins une partie du corps central 46 et au moins un support 56 (non représenté sur la figure 4) s'étendant radialement entre le tube 54 et le corps central 46. De la sorte, le tube 54 définit, entre le tube 54 et le corps central 46, un espace annulaire 58 pour permettre à un fluide tel qu'un combustible, un diluant ou le fluide de travail comprimé, de s'écouler facilement dans la vrille 34 d'un seul tenant.
Les différentes aubes 48 peuvent s'étendre radialement depuis le corps central 46 et peuvent être constituées par des pales incurvées ou obliques qui communiquent une vitesse tangentielle au combustible et/ou au fluide de travail comprimé passant sur les aubes 48. Comme représenté en outre sur les figures 2 à 4, des passages 60 de combustible dans le corps central 46 et les aubes 48 peuvent permettre une communication fluidique pour le combustible à répartir dans des orifices de dosage 62 présents dans les aubes 48. Les orifices de dosage 62 peuvent se trouver sur une seule face ou sur les deux faces des aubes 48 et/ou au bout des aubes 48. Ainsi, un combustible peut être fourni via les passages internes 40 de la bride 30, via l'espace annulaire 58 de corps central 46, via les passages 60 de combustible et peut sortir par les orifices de dosage 62 présents dans les aubes 48. De la sorte, le fluide de travail comprimé peut passer par le passage d'écoulement 44 et se mélanger avec le combustible injecté dans le passage d'écoulement 44 depuis les orifices de dosage 62 présents dans les aubes 48. L'enveloppe 50 entoure le pourtour d'au moins une partie du corps central 46 et/ou des aubes 48 afin que le passage d'écoulement 44 puisse s'étendre axialement à travers la vrille 34 d'un seul tenant. De la sorte, l'enveloppe 50 peut contenir et guider le mélange de combustible et de fluide de travail comprimé s'écoulant dans le passage d'écoulement 44 et sur les aubes 48. Comme représenté sur les figures 2 et 3, le tube 36 de brûleur entoure le pourtour d'au moins une partie de la buse de diffusion 38 et/ou de la vrille 34 d'un seul tenant afin de contenir et de guider le mélange de combustible et de fluide de travail comprimé passant dans l'injecteur 12. Le tube 36 de brûleur peut être monté par des soudures, des boulons ou autres sur la vrille 34 d'un seul tenant et peut s'étendre axialement en aval de la vrille 34 d'un seul tenant. La buse de diffusion 38 assure une communication fluidique pour le combustible et/ou le fluide de travail comprimé pour qu'il puisse circuler depuis la vrille 34 d'un seul tenant via l'injecteur 12.
Comme représenté sur les figures 2 et 3, la buse de diffusion 38 peut comprendre un volume ou un tube annulaire 38 pourvu d'orifices 64 pour combustible à l'extrémité aval. La buse de diffusion 38 peut être en position centrale dans le tube 36 de brûleur et peut être montée sur et s'étendre vers l'aval depuis la vrille 34 d'un seul tenant. En particulier, la buse de diffusion 38 peut être fixée au tube 54 et/ou au corps central 46 par des soudures, des boulons ou autres, comme représenté sur les figures 2 et 3. Ainsi, le combustible peut s'écouler dans la bride 30, dans le tube 54 à l'intérieur du corps central 46 et par les orifices 64 pour combustible dans la buse de diffusion 38. De plus, un passage continu 66 dans l'enveloppe 50, les aubes 48 et le corps central 46 peut permettre au fluide de travail comprimé de passer dans la vrille 34 d'un seul tenant afin de diluer le combustible passant dans le tube 54 dans le corps central 46 avant de sortir de la buse de diffusion 38. La figure 5 est une vue latérale en coupe d'un injecteur 70 selon une autre forme possible de réalisation de la présente invention. Dans cette forme de réalisation particulière, l'injecteur 70 comprend globalement une bride 72, une vrille 74 d'un seul tenant, une enveloppe 76 et une buse de diffusion 78. La bride 72 peut être fixée par des boulons ou autrement au capot d'extrémité 18 en une première extrémité et fixée par des soudures, des boulons ou autres en amont de la vrille 74 d'un seul tenant à l'autre extrémité. Là encore, des passages internes 80 dans la bride 72 assurent une communication fluidique entre le capot d'extrémité 18 et la vrille 74 d'un seul tenant. La bride 72 peut être en acier ou en alliages d'acier capable de résister aux températures prévues et peut être dotée d'une forme annulaire ou conique afin de réduire la résistance à l'écoulement lorsque le fluide de travail comprimé circule autour de la bride 72 et entre dans l'enveloppe 76. La figure 6 présente une vue écorchée en perspective de la vrille 74 d'un seul tenant représentée sur la figure 5. Comme représenté, là encore la vrille 74 est une pièce monobloc ou d'un seul tenant qui peut être forgée ou moulée à l'aide d'acier ou d'alliages d'acier capable de résister aux températures prévues. Dans cette forme de réalisation particulière, la vrille 74 d'un seul tenant comprend globalement un corps central 82 et une pluralité d'aubes 84, comme décrit précédemment à propos de la forme de réalisation représentée sur la figure 4. En particulier, le corps central 82 comprend globalement un volume ou un tube annulaire 82 aligné avec et s'étendant suivant un axe central 86 de l'injecteur 70 pour assurer une communication fluidique via la vrille 74 d'un seul tenant. Comme représenté sur les figures 5 et 6, la vrille 74 d'un seul tenant peut en outre comprendre un tube 88 à l'intérieur d'au moins une partie du corps central 82 et au moins un support 90 (non représenté sur la figure 6) s'étendant radialement entre le tube 88 et le corps central 82. De cette manière, le tube 88 définit entre le tube 88 et le corps central 82 un espace annulaire 92 pour permettre à un fluide tel qu'un combustible, un diluant ou le fluide de travail comprimé de circuler facilement par la vrille 74 d'un seul tenant. Les différentes aubes 84 peuvent s'étendre radialement depuis le corps central 82 et peuvent comprendre des pales incurvées ou obliques qui donnent une vitesse tangentielle au combustible et/ou au fluide de travail comprimé passant sur les aubes 84. Comme représenté en outre sur les figures 5 et 6, les passages 94 pour combustible dans le corps central 82 et les aubes 84 peuvent assurer une communication fluidique pour le combustible à répartir via des orifices de dosage 96 dans les aubes 84. Les orifices de dosage 96 peuvent se trouver sur une seule face ou sur les deux faces des aubes 84 et/ou au bout des aubes 84. Ainsi, le combustible peut être amené à passer par les passages intérieurs 80 de la bride 72, par l'espace annulaire 92 du corps central 82, par les passages 94 pour combustible et sortir des orifices de dosage 96 présents dans les aubes 84.
Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 5 et 6, l'enveloppe 76 est une pièce séparée de la vrille 74 d'un seul tenant, et l'enveloppe 76 remplit les fonctions assurées par le canal 32 de flux d'entrée, l'enveloppe 50 et le tube 36 de brûleur précédemment décrits en référence à la forme de réalisation représentée sur les figures 2 à 4. En particulier, l'enveloppe 76 peut être fixée par des soudures, des boulons ou autres à la vrille 74 d'un seul tenant et peuvent s'étendre vers l'amont et/ou vers l'aval de la vrille 74 d'un seul tenant. En amont de la vrille 74 d'un seul tenant, l'enveloppe 76 peut comprendre un manchon annulaire 76 à ouverture évasée 98 qui entoure le pourtour d'au moins une partie de la bride 72 et de la vrille 74 d'un seul tenant afin d'améliorer la répartition de la vitesse du fluide de travail comprimé lorsqu'il s'écoule dans ou à travers la vrille 74 d'un seul tenant. Le manchon annulaire 76 peut définir un passage d'écoulement 100 entre la bride 72 et/ou la vrille 74 d'un seul tenant et le manchon annulaire 76, et le fluide de travail comprimé peut s'écouler dans le passage d'écoulement 100 et se mélanger au combustible injecté dans le passage d'écoulement 100 depuis les orifices de dosage 96 présents dans les aubes fixes 84.
Sur la longueur axiale de la vrille 74 d'un seul tenant, l'enveloppe 76 peut entourer le pourtour d'au moins une partie du corps central 82 et/ou des aubes 84 de façon que le passage d'écoulement 100 puisse s'étendre axialement dans la vrille 74 d'un seul tenant. De la sorte, l'enveloppe 76 peut contenir et guider le mélange de combustible et de fluide de travail comprimé s'écoulant dans le passage d'écoulement 100 et sur les aubes 84. En aval de la vrille 74 d'un seul tenant, l'enveloppe 76 peut entourer le pourtour d'au moins une partie de la buse de diffusion 78 et/ou de la vrille 74 d'un seul tenant afin de contenir et de guider le mélange de combustible et de fluide de travail comprimé s'écoulant dans l'injecteur 70. La buse de diffusion 78 assure une communication fluidique pour le combustible et/ou le fluide de travail comprimé afin que, venant de la vrille 74 d'un seul tenant, ils passent dans l'injecteur 70. Comme représenté sur la figure 5, la buse de diffusion 78 peut comprendre un volume ou un tube annulaire 78 avec des orifices 102 pour combustible à l'extrémité aval. La buse de diffusion 78 peut être en position centrale dans l'enveloppe 76 et peut être montée sur et s'étendre en aval de la vrille 74 d'un seul tenant. En particulier, la buse de diffusion 78 peut être fixée par des soudures, des boulons ou autres sur le tube 78 et/ou le corps central 82, comme représenté sur la figure 5. Ainsi, le combustible peut s'écouler dans la bride 72, dans le tube 78 à l'intérieur du corps central 82 et dans les orifices 102 pour combustible présents dans la buse de diffusion 78. De plus, un passage continu 104 dans l'enveloppe 76, les aubes fixes 84 et le corps central 82 peut permettre l'écoulement du fluide de travail comprimé dans la vrille 74 d'un seul tenant pour diluer le flux de combustible dans l'injecteur 70 avant qu'il ne sorte de la buse de diffusion 78 par les orifices 102 pour combustible. Les injecteurs 12, 70 décrits plus haut et illustrés sur les figures 2 à 6 peuvent être réalisés au moyen d'un procédé qui peut comporter le moulage de la vrille 34, 74 d'un seul tenant pourvue du corps central 46, 82 et de la pluralité d'aubes 48, 84 s'étendant radialement depuis le corps central 46, 82. La vrille 34 d'un seul tenant peut également comprendre l'enveloppe 50, comme représenté sur la figure 4. Le procédé peut en outre comporter le montage de la bride annulaire 30, 72 sur la vrille 34, 74 d'un seul tenant en amont du corps central 46, 82 et/ou le montage de l'enveloppe 76 et/ou du tube 36 de brûleur dans la direction circonférentielle sur le pourtour d'au moins une partie de la pluralité d'aubes 48, 84. De la sorte, le procédé supprime les joints brasés sur la vrille 34, 74 d'un seul tenant, ce qui améliore la durée de vie et réduit la complexité de la conception de l'injecteur 12, 70 pour dispositif de combustion.
Liste des repères 10 Dispositif de combustion 12 Injecteurs 14 Couvercle supérieur 16 Carter Enveloppe 18 Capot d'extrémité 20 Chemise 22 Chambre de combustion 24 Manchon d'écoulement 26 Trous d'écoulement 28 Passage annulaire 30 Bride 32 Conditionneur de flux d'entrée, manchon annulaire 34 Vrille d'un seul tenant 36 Tube de brûleur 38 Buse de diffusion 40 Passages internes dans la bride 42 Ouverture évasée 44 Passage d'écoulement 46 Corps central 48 Aubes 50 Enveloppe 52 Axe central de l'injecteur 54 Tube 56 Support 58 Espace annulaire 60 Passage pour combustible 62 Orifices de dosage 64 Orifices pour combustible 66 Passage continu 70 Injecteur 72 Bride 74 Vrille d'un seul tenant 76 Enveloppe 78 Buse de diffusion 80 Passages internes dans la bride 82 Corps central 84 Aubes 86 Axe central de l'injecteur 88 Tube 90 Support 92 Espace annulaire 94 Passage pour combustible 96 Orifices de dosage 98 Ouverture évasée 100 Passage d'écoulement 102 Orifices pour combustible 104 Passage continu
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Injecteur (12) pour dispositif de combustion, comportant : une vrille (34) d'un seul tenant, comprenant : - un corps central (46) s'étendant axialement le long de la vrille (34) d'un seul tenant ; - un premier passage (38) pour combustible à l'intérieur du corps central (46) ; et - une pluralité d'aubes (48) s'étendant radialement depuis le corps central (46).
- 2. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon la revendication 1, dans lequel la vrille (34) d'un seul tenant comprend en outre un tube (54) à l'intérieur d'au moins une partie du corps central (46), le tube (54) définissant un second passage (58) pour combustible entre le tube (54) et le corps central (46).
- 3. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon la revendication 2, dans lequel la vrille (34) d'un seul tenant comprend en outre au moins un support (56) s'étendant radialement entre le tube (54) et le corps central (46).
- 4. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel le second passage (58) pour combustible s'étend dans le corps central (46) et la pluralité d'aubes (48).
- 5. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une enveloppe (50) entourant le pourtour d'au moins une partie de la vrille (34) d'un seul tenant.
- 6. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon la revendication 5, comportant en outre un passage continu (66) dans l'enveloppe (50) et la pluralité d'aubes (48), jusque dans le corps central (46).
- 7. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel l'enveloppe (50) s'étend axialement en amont de la vrille (34) d'un seul tenant et axialement en aval de la vrille (34) d'un seul tenant.
- 8. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel l'enveloppe (50) comprend, en une première extrémité, une ouverture évasée (42).
- 9. Injecteur (12) pour dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une bride annulaire (30) montée en amont de la vrille (34) d'un seul tenant.
- 10. Procédé pour fabriquer un injecteur (12) pour dispositif de combustion, comportant le moulage d'une vrille (34) d'un seul tenant, la vrille (34) d'un seul tenant comprenant un corps central (46) et une pluralité d'aubes (48) s'étendant radialement depuis le corps central (46).
- 11. Procédé selon la revendication 10, comportant en outre le montage d'une bride annulaire (30) en amont de la vrille (34) d'un seul tenant.
- 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, comportant en outre le montage d'une enveloppe (50) sur le pourtour d'au moins une partie de la vrille (34) d'un seul tenant.
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