FR3033030A1 - Systeme d'injection d'un melange air-carburant dans une chambre de combustion de turbomachine d'aeronef, comprenant un venturi perfore de trous d'injection d'air - Google Patents

Abstract

Afin d'améliorer le processus d'atomisation du carburant, l'invention concerne un système d'injection (18) d'un mélange air-carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine d'aéronef, le système d'injection comprenant, successivement de l'amont vers l'aval, une traversée coulissante (26) destinée à recevoir la tête (82) d'un injecteur de carburant (80), un venturi (27), puis un bol mélangeur (28), le système d'injection comprenant également une vrille d'air (24) pourvue d'une première série d'aubes (30) d'introduction d'air dans un canal annulaire (64) délimité intérieurement par ledit venturi (27) et débouchant vers l'aval dans ledit bol mélangeur (28). Selon l'invention, le venturi (27) est multiperforé.

Description

1 SYSTEME D'INJECTION D'UN MELANGE AIR-CARBURANT DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE D'AERONEF, COMPRENANT UN VENTURI PERFORE DE TROUS D'INJECTION D'AIR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine technique des systèmes d'injection d'un mélange air-carburant dans une turbomachine d'aéronef. Elle concerne plus précisément l'amélioration du processus d'atomisation du carburant. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un système d'injection classique d'un mélange air-carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine d'aéronef est par exemple connu de la demande de brevet EP 1 731 837 A2. Le système d'injection est destiné à coopérer avec un injecteur de carburant, dont la tête d'injecteur est logée dans une traversée coulissante du système d'injection. Ce dernier comporte en aval de la traversée coulissante un venturi, lui-même situé en amont d'un bol mélangeur débouchant dans la chambre de combustion de la turbomachine.

De façon connue et schématisée sur la figure 6, l'écoulement d'un film de carburant au voisinage du bord de fuite du venturi 27 est soumis à des contraintes aérodynamiques d'un écoulement d'air 200 à haute vitesse, qui entraine la formation de gouttes qui s'évaporent, puis se mélangent avec l'air et brûlent au sein de la chambre de combustion. Les phénomènes physiques dans cette zone sont donc fondamentaux pour l'accrochage et la stabilisation de la flamme au sein de la chambre. Plus précisément, le processus d'atomisation du carburant est schématisé sur la figure 6. Tout d'abord, il est procédé à l'injection de carburant sous forme de « spray », via un injecteur 80. Avant son contact avec le venturi 27, le spray liquide de carburant est dénommé spray primaire 201. Au contact du venturi, il forme un film liquide 3033030 2 202 cheminant le long de ce dernier en ruisselant jusqu'au bord de fuite de ce venturi 27, duquel il se détache sous forme de gouttes. La projection du spray de carburant sur le venturi donne également naissance à une interaction spray-paroi 204 référencée sur la figure 6, générant également des gouttelettes de carburant.

5 A l'interface 203 entre le film 202 et l'écoulement d'air 200, il est généré de fortes contraintes de cisaillement dues à l'énergie cinétique transportée par l'écoulement d'air, ce qui a pour effet bénéfique de produire des instabilités de nappes. Cependant, l'apparition de ces instabilités est réduite par l'interface 206 entre le film de carburant 202 et le venturi 27.

10 Ensuite, à la sortie du venturi 27, il se crée successivement une atomisation primaire 208, une atomisation secondaire 210, puis un mélange fin 212 entre les gouttes de carburant et l'air environnant, avant la combustion 214. Au vu de ce qui précède, il existe un besoin d'amélioration du processus d'atomisation, afin d'optimiser encore davantage le mélange air-carburant.

15 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre au moins partiellement les problèmes rencontrés dans les solutions de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un système d'injection d'un mélange air-carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine 20 d'aéronef, le système d'injection comprenant, successivement de l'amont vers l'aval, une traversée coulissante destinée à recevoir la tête d'un injecteur de carburant, un venturi, puis un bol mélangeur, le système d'injection comprenant également une vrille d'air pourvue d'une première série d'aubes d'introduction d'air dans un canal annulaire délimité intérieurement par ledit venturi et débouchant vers l'aval dans ledit bol mélangeur. Selon 25 l'invention, ledit venturi est multiperforé. Grâce à cette multiperforation, un écoulement d'air permet d'impacter le film de carburant à l'interface entre ce film et le venturi. Il en résulte avantageusement une déstabilisation de la nappe liquide ruisselant sur le venturi, pour forcer l'apparition des 3033030 3 premières ruptures ligamentaires le plus tôt possible dans le processus d'atomisation du carburant en fines gouttelettes. L'amélioration de l'atomisation du carburant engendre des effets positifs en termes d'élargissement du domaine d'allumage, d'abaissement de la richesse 5 d'extinction pauvre, d'augmentation du rendement de combustion, de diminution des émissions polluantes, ou encore de diminution d'apparition et de dépôt de coke sur le venturi, ce qui permet d'étendre la durée de vie des pièces en présence. L'invention présente de préférence au moins l'une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

10 Ladite vrille d'air est agencée autour dudit venturi, et sa première série d'aubes est située en aval d'une extrémité amont de ce venturi. Ladite vrille d'air comprend une seconde série d'aubes située en amont de l'extrémité amont dudit venturi, la seconde série d'aubes étant destinée à l'introduction d'air à l'intérieur de ce venturi.

15 Ledit venturi comporte un convergent et un divergent délimités l'un de l'autre par une zone de faible section, et la multiperforation est réalisée de part et d'autre de la zone de faible section, sur le convergent et sur le divergent. Alternativement, la multiperforation pourrait être réalisée uniquement sur le divergent, ou bien uniquement sur le convergent, sans sortir du cadre de l'invention. Egalement, la multiperforation 20 pourrait être réalisée sur ladite zone de faible section, isolément ou en association avec l'une quelconque des possibilités décrites ci-dessus. Ladite multiperforation est réalisée à l'aide de trous de diamètre compris entre 0,2 et 0,6 mm, et de préférence de l'ordre de 0,4 mm. Les trous peuvent néanmoins être de tailles différentes, entre les rangées et/ou au sein de chaque rangée. A cet égard, il 25 est noté que ladite multiperforation peut en effet être réalisée à l'aide de trous répartis en rangées annulaires, prévues dans un nombre compris entre deux et quatre, lesdites rangées de trous étant préférentiellement agencées en quinconce. Ce nombre de rangées peut atteindre six dans le cas de moteurs à forte puissance, disposant alors de systèmes d'injection à diamètre plus important.

3033030 4 Le pas axial (Pa) entre deux rangées de trous directement consécutives est compris entre 1 et 2,5 mm, et/ou le pas circonférentiel (Pc) entre deux trous directement consécutifs d'une même rangée est compris 2 et 5 mm. Les trous de la multiperforation du venturi sont chacun inclinés par 5 rapport à une direction axiale d'un angle Aa compris entre 20 et 90°, et inclinés par rapport à une direction circonférentielle d'un angle Ac compris entre 0 et 90°, l'angle Aa pouvant varier selon la position axiale des trous (74) sur le venturi (27). L'invention a également pour objet une chambre de combustion de turbomachine, comprenant une pluralité de systèmes d'injection tel que celui décrit ci- 10 dessus, ainsi qu'une pluralité d'injecteurs de carburant coopérant chacun avec l'un des systèmes d'injection. Enfin, l'invention se rapporte à une turbomachine d'aéronef comprenant une telle chambre de combustion. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la 15 description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : 20 - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine d'aéronef ; - la figure 2a est une vue en coupe axiale de la chambre de combustion équipant la turbomachine montrée sur la figure 1, la chambre de combustion se présentant sous la forme d'un mode de réalisation préféré de l'invention ; 25 - la figure 2b représente une vue en perspective d'un injecteur de carburant coopérant avec un système d'injection d'un mélange air-carburant équipant la chambre de combustion montrée sur la figure précédente ; - la figure 3 représente une vue agrandie de celle de la figure 2a ; 3033030 5 - la figure 4 représente une vue éclatée en perspective de celle de la figure 3 ; - la figure 5 représente une demi-vue en perspective de celle de la figure 4 ; 5 - la figure 6 est une vue schématique représentant le phénomène d'atomisation du carburant au sein de la chambre de combustion ; - la figure 7 est une vue agrandie en coupe axiale, montrant en particulier le venturi du système d'injection ; et - la figure 8 représente une vue du venturi, prise dans la direction 10 radiale, depuis l'extérieur. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une turbomachine 100 d'aéronef, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Il s'agit 15 ici d'un turboréacteur à double flux et à double corps. Néanmoins, il pourrait s'agir d'une turbomachine d'un autre type, par exemple un turbopropulseur, sans sortir du cadre de l'invention. La turbomachine 100 présente un axe longitudinal 103 autour duquel s'étendent ses différents composants. Elle comprend, d'amont en aval selon une direction 20 principale d'écoulement des gaz à travers cette turbomachine, une soufflante 102, un compresseur basse pression 104, un compresseur haute pression 106, une chambre de combustion 2 spécifique à l'invention, une turbine haute pression 110 et une turbine basse pression 112. Une partie de la chambre de combustion 2 est reproduite de façon plus 25 détaillée sur les figures 2a et 2b. La chambre de combustion 2 est annulaire autour de l'axe 103 de la turbomachine. La chambre de combustion 2 comporte une paroi de carter intérieure fixe 4 et une paroi de carter extérieure 6. La paroi de carter extérieure 6 délimite avec une paroi de chambre extérieure 12 un passage annulaire 14 d'écoulement d'air. La paroi de carter intérieure 4 définit avec une paroi de chambre intérieure 8 un second 3033030 6 passage annulaire 10 d'écoulement d'air. Les parois de chambre intérieure 8 et extérieure 12 sont reliés par un fond de chambre 16 de la chambre de combustion 2. Sur le fond de chambre 16 sont montés une pluralité de systèmes d'injection 18 dont un seul est visible sur la figure 2a. Dans le mode de réalisation préféré, 5 chaque système d'injection 18 est du type aéromécanique, et destiné à coopérer avec un injecteur de carburant 80. Néanmoins, il pourrait s'agir d'injecteurs d'un autre type, par exemple d'injecteurs du type aérodynamique, sans sortir du cadre de l'invention. Le système d'injection 18 comprend globalement une traversée coulissante 26 agencée en amont, ainsi qu'une partie fixe située en aval. L'injecteur 80 est 10 monté dans la traversée coulissante 26 au niveau d'un nez d'injecteur 82. La traversée coulissante 26 est montée coulissante sur une bague de logement 35 de la partie aval fixe de système d'injection 18, qui comprend notamment une vrille 24, un venturi 27 et un bol mélangeur 28 solidaire du fond de chambre 16. Le bol mélangeur 28 présente une symétrie de révolution par rapport à un axe central 3 qui est confondu avec un axe central de 15 révolution de l'ensemble de la partie aval fixe du système d'injection 18. La chambre de combustion 2, et notamment chaque système d'injection 18, sont alimentés dans la direction de la flèche 48 en air sous pression au niveau du passage 46 montré sur la figure 2a, ce passage permettant l'arrivée de l'air sous pression depuis le compresseur haute pression situé plus en amont. Cet air sous pression sert à la 20 combustion et au refroidissement de la chambre de combustion 2. Une partie de cet air est introduit dans la chambre de combustion 2 au niveau de l'ouverture centrale d'un capotage 50, traversé par l'injecteur 80. Une autre partie de l'air s'écoule vers les passages 10 et 14 d'écoulement d'air, respectivement selon les directions 54 et 56 puis selon la direction 60. L'écoulement d'air schématisé par les flèches 60 pénètre ensuite dans la chambre de 25 combustion 2 par des orifices primaires et des orifices de dilution. Une partie de l'air provenant de l'écoulement selon les flèches 52 alimente le système d'injection 18 au niveau de trous de purges 43 et au niveau des aubes de la vrille 24 appartenant à la partie aval fixe du système d'injection 18. Le nez d'injecteur 82 de l'injecteur 80 est situé dans un orifice de logement d'injecteur 39 de la traversée coulissante 26. Le nez d'injecteur 82 est de forme 3033030 7 sphérique pour former une liaison rotule avec l'orifice de logement d'injecteur 39 cylindrique. De manière classique, l'injecteur 80 et la traversée coulissante 26 permettent ainsi de compenser les défauts d'alignement dus aux tolérances de fabrications des différents éléments de la chambre de combustion 2 et aux déplacements relatifs de ces 5 éléments, notamment du fait de la dilatation thermique différentielle des éléments de la chambre de combustion 2 et du fait de phénomènes vibratoires lors du fonctionnement de la turbomachine 100. En référence à présent à la vue plus détaillée de la figure 3, la traversée coulissante 26 est symétrique de révolution, autour d'un axe sensiblement confondu avec 10 l'axe 3 de la partie aval fixe du système d'injection. Elle comporte une semelle 36 configurée pour venir en appui sur la partie aval fixe 25 du système d'injection. Elle comporte également une portion de centrage, par exemple un cône de centrage 38 ouvert vers l'amont, destiné à centrer un injecteur de carburant 80 dans l'orifice de logement d'injecteur 39 de la traversée coulissante 26.

15 Comme évoqué précédemment, la partie aval fixe 25 comporte une bague de logement de la traversée coulissante 35, la vrille 24, le venturi 27 et le bol mélangeur 28. La bague de logement 35 de la traversée coulissante comprend une paroi 34 contre laquelle la traversée coulissante 26 peut glisser. La paroi 34 définit un espace de logement 29 de la semelle de traversée coulissante 36, avec un rebord circonférentiel 42.

20 Cet espace 29 est partiellement obturé vers l'amont par une paroi axiale 44. De manière connue, l'espace de logement 29 est configuré pour permettre une faible inclinaison ainsi qu'un déplacement radial de la traversée coulissante 26, relativement au bol mélangeur 28. De l'amont vers l'aval selon la direction de l'axe 3, se succèdent la 25 traversée coulissante 26 logeant le nez d'injecteur 82 de l'injecteur 80, le venturi 27 et le bol mélangeur 28 présentant une forme évasée sensiblement de révolution autour de l'axe 3. Ce dernier est raccordé au fond de chambre 16 par l'intermédiaire d'un déflecteur 20 et d'une bague fendue 22. La vrille 24 est montée solidaire du bol mélangeur 28, autour du venturi 30 27. Elle comporte une première série d'aubes 30 et une seconde série d'aubes 32 qui ont 3033030 8 pour fonction d'entraîner l'air en rotation autour de l'axe 3 de bol mélangeur 28. Les aubes du premier étage 30 peuvent tourner dans le même sens ou en sens contraire de celles du deuxième étage 32. Dans cet exemple non limitatif, la vrille 24 est donc radiale. La première série d'aubes 30 est située en aval d'une extrémité amont 5 27a du venturi 27. Elle sert à l'introduction d'air dans un canal annulaire 64 délimité intérieurement par la surface latérale extérieure du venturi 27, ce canal débouchant vers l'aval dans le bol mélangeur 28. Aussi, les aubes de la première série 30 débouchent-elles dans ce canal annulaire 64. La seconde série d'aubes 32 est quant à elle située en amont de 10 l'extrémité amont 27a du venturi 27, et destinée à l'introduction d'air à l'intérieur de ce venturi, également en direction du bol mélangeur 28. Le venturi 27 comporte, de l'amont vers l'aval selon la direction de l'axe 3, un convergent 66 et un divergent 68 délimités l'un de l'autre par une zone de faible section 70, également dénommée zone de rétrécissement.

15 L'une des particularités de l'invention réside dans le fait que le venturi 27 présente une multiperforation 72, réalisée de part et d'autre de la zone de faible section 70, à savoir sur le convergent 66 et sur le divergent 68. Alternativement, cette multiperforation 72 pourrait être réalisée sur le divergent ou le convergent uniquement. Les trous 74 de la multiperforation 72 sont de préférence agencés en 20 rangées, comme cela va maintenant être détaillé en référence aux figures 3 à 8. Tout d'abord, il est noté que les trous 74 présentent tous un faible diamètre compris entre 0,2 et 0,6 mm, et de préférence de l'ordre de 0,4 mm. Cependant, chaque rangée de la multiperforation peut-être composée de trous 74 de tailles différentes, de même que des trous de tailles différentes peuvent être prévus au sein de 25 chaque rangée. Les trous sont agencés en rangées annulaires autour de l'axe 3. Les rangées sont espacées les unes des autres selon une direction axiale Dx du système d'injection, parallèle à l'axe 3. Elles sont par ailleurs de préférence agencées en quinconce, comme cela est le mieux visible sur la figure 8. Le nombre de rangées annulaires est compris entre deux et six, par exemple deux rangées sur le divergent 68 et une rangée sur le convergent 66. Le 30 pas axial Pa, selon la direction Dx et entre deux rangées de trous directement consécutives, 3033030 9 est compris entre 1 et 2,5 mm. En outre, le pas circonférentiel Pc, selon une direction circonférentielle Dc et entre deux trous 74 directement consécutifs d'une même rangée, est compris 2 et 5 mm. Ici, de manière conventionnelle, les directions axiale Dx et circonférentielle Dc sont orthogonales à une direction radiale Dr du système d'injection 18.

5 Par ailleurs, les trous 74 de la multiperforation 72 du venturi 27 peuvent être chacun inclinés par rapport à la direction axiale Dx d'un angle Aa schématisé sur la figure 7, compris entre 20 et 90°. Dans le cas d'une inclinaison à 90°, l'introduction de l'air dans le venturi 27, via les trous 74, est alors radiale. Comme cela a été schématisé sur la figure 3, l'angle Aa peut varier selon la position axiale des trous 74 sur le venturi 27. Plus 10 précisément, ici, cet angle Aa diminue en allant vers l'aval. De même, les trous 74 de la multiperforation 72 peuvent être chacun inclinés par rapport à la direction circonférentielle Dc d'un angle Ac compris entre 0 et 90°. Dans le cas d'une inclinaison à 90°, l'introduction de l'air dans le venturi 27, via les trous 74, est alors dite giratoire ou circonférentielle, alors que dans le cas d'une inclinaison à 0°, 15 l'introduction d'air est dite axiale. En référence à la figure 6, il est à observer que grâce aux trous 74 de la multiperforation 72, un écoulement d'air 216 permet d'impacter le film de carburant 202 à l'interface entre ce film et le venturi 27. Cela engendre avantageusement une déstabilisation de la nappe liquide ruisselant sur le venturi, pour forcer l'apparition des 20 premières ruptures ligamentaires le plus tôt possible dans le processus d'atomisation du carburant en fines gouttelettes. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite sans sortir du cadre de l'exposé de l'invention. 25

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Système d'injection (18) d'un mélange air-carburant dans une chambre de combustion (2) d'une turbomachine (100) d'aéronef, le système d'injection comprenant, successivement de l'amont vers l'aval, une traversée coulissante (26) destinée à recevoir la tête (82) d'un injecteur de carburant (80), un venturi (27), puis un bol mélangeur (28), le système d'injection comprenant également une vrille d'air (24) pourvue d'une première série d'aubes (30) d'introduction d'air dans un canal annulaire (64) délimité intérieurement par ledit venturi (27) et débouchant vers l'aval dans ledit bol mélangeur (28), caractérisé en ce que ledit venturi (27) est multiperforé.
2. 2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite vrille d'air (24) est agencée autour dudit venturi (27), et en ce que sa première série d'aubes (30) est située en aval d'une extrémité amont (27a) de ce venturi.
3. 3. Système d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite vrille d'air (24) comprend une seconde série d'aubes (32) située en amont de l'extrémité amont (27a) dudit venturi (27), la seconde série d'aubes (32) étant destinée à l'introduction d'air à l'intérieur de ce venturi.
4. 4. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit venturi (27) comporte un convergent (66) et un divergent (68) délimités l'un de l'autre par une zone de faible section (70), et en ce que la multiperforation (72) est réalisée de part et d'autre de la zone de faible section (70), sur le convergent (66) et sur le divergent (68), et/ou sur ladite zone de faible section (70).
5. 5. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite multiperforation (72) est réalisée à l'aide de trous (74) de diamètre compris entre 0,2 et 0,6 mm, et de préférence de l'ordre de 0,4 mm, les trous (74) pouvant être de tailles identiques ou différentes. 3033030 11
6. 6. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite multiperforation (72) est réalisée à l'aide de trous (74) répartis en rangées annulaires, prévues dans un nombre compris entre deux et six, lesdites rangées de trous (74) étant préférentiellement agencées en quinconce. 5
7. 7. Système d'injection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le pas axial (Pa) entre deux rangées de trous (74) directement consécutives est compris entre 1 et 2,5 mm, et/ou en ce que le pas circonférentiel (Pc) entre deux trous (74) directement consécutifs d'une même rangée est compris entre 2 et 5 mm. 10
8. 8. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous (74) de la multiperforation (72) du venturi (27) sont chacun inclinés par rapport à une direction axiale (Dx) d'un angle Aa compris entre 20 et 90°, et inclinés par rapport à une direction circonférentielle (Dc) d'un angle Ac compris entre 0 et 15 90°, l'angle (Aa) pouvant varier selon la position axiale des trous (74) sur le venturi (27).
9. 9. Chambre de combustion (2) de turbomachine (1) comprenant une pluralité de systèmes d'injection (18) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi qu'une pluralité d'injecteurs de carburant (80) coopérant chacun avec l'un des systèmes 20 d'injection (18).
10. 10. Turbomachine (100) d'aéronef comprenant une chambre de combustion (2) selon la revendication précédente. 25