FR3084449A1 - Dispositif d'injection de carburant multipoint - Google Patents
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Abstract
Les conduits d'injection de carburant dans un dispositif multipoint entourant un dispositif d'injection central dit pilote comprennent des tubes (15) d'orientation circonférentielle. En séparant les conduits d'injection les uns des autres, on peut leur attribuer des pertes de charge différentes qui compensent les différences de longueur que le carburant doit parcourir : un débit uniforme de carburant peut être espéré à chacun des trous d'injection (16). Les tubes sont individuels mais jointifs pour former une couronne (6) unitaire ou composée de deux portions unitaires presque symétriques, qui se prête bien à une fabrication par addition de matière.
Description
DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT MULTIPOINT DESCRIPTION
Le sujet de l'invention est un dispositif d'injection multipoint de carburant, conçu pour un moteur d'aéronef.
De tels dispositifs offrent la perspective de réduire les émissions polluantes rejetées par le moteur, qui dépendent à la fois du cycle thermodynamique et de la configuration de la chambre de combustion. Ces émissions polluantes comprennent les oxydes d'azote NOx, le monoxyde de carbone CO, les imbrûlés CHx, les émissions de fumées et les émissions de particules fines qui sont ou seront réglementés par des normes.
Parmi les solutions permettant de réduire les émissions polluantes, il est possible de recourir à une injection comprenant à la fois une injection dite pilote, utilisée sur l'ensemble du vol, et une injection utilisée au-delà des régimes ralentis et par exemple pendant le décollage, typiquement à partir de 30 % du régime maximal, où est réalisée une combustion pauvre ou sous-stoechiométrique. La température de la flamme est alors basse, ce qui limite la formation des oxydes d'azote à ces régimes élevés. Le système d'injection de carburant comprend alors typiquement une région centrale affectée à l'injection pilote, et une injection périphérique entourant la précédente affectée à cette combustion au-delà des régimes ralentis. L'injection périphérique dans la chambre de combustion se fait à travers une série de trous répartis sur une couronne, ce qui explique qu'elle est appelée « multipoint ». Ces trous, qui peuvent être au nombre d'une dizaine ou de quelques dizaines, sont alimentés dans les conceptions connues par une cavité annulaire faisant le tour complet de la couronne et alimentés par un conduit d'alimentation venant du bras de l'injecteur.
Un tel dispositif est décrit dans le document FR 2996287 Al; on consultera aussi le document FR 29219898 Al, également conforme à la description qui précède, mais qui présente la particularité que la couronne d'acheminement du carburant de l'injection multipoint est entourée par une cavité dans laquelle s'écoule le carburant de l'injection pilote. On évite ainsi les risques de cokéfaction du carburant de l'injection multipoint pendant son inactivité, grâce à un rafraîchissement constant procuré par le carburant de l'injection pilote.
On développe des moteurs dans lesquels le système d'injection est de plus petit volume, ce qui imposerait une réduction de section de la cavité de la couronne dans laquelle s'écoule le carburant destiné à l'injection multipoint. On redoute alors des pertes de charge accrues, qui risquent de rendre l'écoulement plus difficile, de détériorer l'uniformité de débit d'injection à travers les différents points, donc de diminuer le rendement de la combustion, éventuellement la rendre instable et augmenter la production de nouvelles émissions polluantes.
On a donc cherché à améliorer les systèmes d'injection comprenant une injection multipoint, afin de mieux garantir une uniformité de débit à travers les trous d'injection, et donc une distribution régulière du carburant dans la direction d'azimut de la couronne, y compris pour des systèmes d'injection de petit volume.
On y parvient, d'après l'invention, au moyen d'un dispositif d'injection de carburant pour moteur d'aéronef, comprenant une première partie d'injection dite pilote, centrale, une deuxième partie d'injection dite multipoint entourant la partie pilote, la partie multipoint, étant raccordée à un conduit d'alimentation en carburant et comprenant des trous d'injection du carburant dans la chambre de combustion, caractérisé en ce que la partie multipoint comprend, entre lesdits trous d'injection et ledit conduit d'alimentation, une pluralité de conduits parallèles entre eux et reliés chacun à un trou d'injection respectif, les conduits s'étendant circonférentiellement autour de la partie pilote sur des secteurs angulaires différents.
En divisant ainsi de façon précoce le carburant en débits desservant individuellement chacun des trous d'injection, en amont du trajet où les pertes de charge peuvent se manifester, on dispose de la possibilité d'ajuster ces débits, par exemple par des dimensions appropriées de chacun des conduits parallèles, pour égaliser les pertes de charge dans chacun des conduits quand cela est nécessaire et faire en sorte que le débit initial d'alimentation se répartisse équitablement entre tous les conduits parallèles, dont les longueurs sont généralement différentes. Le réseau de conduits de direction tangentielle et séparés, qui s'étend autour de la partie pilote de l'injection, caractérise donc l'invention.
Il est envisagé comme avantageux que la partie d'injection multipoint soit en forme de couronne (annulaire).
Les conduits parallèles envisagés ici peuvent typiquement avoir des longueurs importantes, qui sont toutefois variables selon l'éloignement de leur trou d'injection du débouché du conduit d'alimentation : les conduits parallèles les plus longs peuvent avoir une extension de 135° au moins, voire de 180° environ dans le cas, préféré pour l'invention, où les conduits parallèles forment deux groupes dont chacun s'étend dans une moitié angulaire respective de la couronne ; toute la circonférence (hormis une petite portion angulaire correspondant à une chambre de distribution au débouché du conduit d'alimentation) peut ainsi être occupée par ces conduits.
Le but de l'invention est mieux atteint si les conduits parallèles sont sujets à des pertes de charge identiques. Cela peut être atteint en rendant les conduits parallèles différents les uns des autres de manière que leur perte de charge linéaire (par unité de longueur) soit inversement proportionnelle à leur longueur. On peut y parvenir de diverses façons en rendant l'écoulement un peu plus difficile dans les conduits courts, par exemple si les conduits parallèles ont des sections différentes, croissantes pour des valeurs croissantes des secteurs angulaires; ou encore, dans des réalisations plausibles où les conduits parallèles se raccordent aux trous par des tubes de raccord qui sont orientés dans une direction essentiellement identique à un axe central de la couronne, si les tubes de raccord ont des rapports longueur sur diamètre identiques.
D'après un mode de réalisation préféré, au moins une partie des conduits parallèles est composée de tubes jointifs et rigides formant une portion unitaire.
La couronne pourrait être problématique à fabriquer avec les procédés classiques d'enlèvement de matière, mais elle peut très bien l'être par un procédé additif. La couronne peut être incluse dans une autre couronne affectée à l'alimentation en carburant de la partie pilote, afin d'être baignée par le carburant destiné à la partie pilote pour maintenir le carburant de la partie multipoint au-dessous de la cokéfaction.
L'invention sera maintenant décrite plus complètement en liaison aux commentaires des figures suivantes, qui en décrivent une réalisation particulière purement illustrative :
- les figures 1, 2, 3 et 4 représentent le dispositif, respectivement en coupe médiane, en perspective partielle, en perspective complète, et du dessus ;
- la figure 5 illustre schématiquement l'environnement du dispositif comprenant la chambre de combustion ;
- et la figure 6 est un agrandissement de l'extrémité d'une partie des tubes d'injection multipoint.
Le dispositif d'injection est établi à travers une paroi 1 d'une chambre de combustion 25. La figure 5 représente schématiquement la chambre de combustion 25 entourée par la veine 28 d'écoulement des gaz de la turbomachine dont une partie contourne la chambre de combustion 25. Le dispositif d'injection débouche au fond de la chambre de combustion 25, à l'opposé de la sortie 29 de la chambre de combustion 25. Un conduit d'alimentation 2 est au centre d'un bras d'injection 3, et il dessert en carburant une partie d'injection dite multipoint comprenant une couronne d'injection multipoint 6. Cette dernière est disposée dans une cavité 7 d'une couronne extérieure 8 qui l'enveloppe et qui est le siège d'un écoulement de carburant permanent pendant le vol lui aussi alimenté par le conduit d'alimentation 2, qui alimente une partie d'injection dite pilote, comprenant un conduit d'injection pilote 9 qui aboutit à un gicleur d'injection pilote 11 au centre du dispositif, dirigé vers le volume intérieur 12 de la chambre de combustion. Le dispositif d'injection est soutenu par une enveloppe 13 qui entoure les couronnes 6 et 8, se raccorde à la paroi 1 et s'évase en un pavillon 14 vers le volume intérieur 12 de combustion. Le conduit d'injection pilote 9 a une forme coudée à 180° et s'étend dans une région diamétralement opposée au conduit d'alimentation 2 par rapport à un axe central X de la couronne d'injection multipoint 6 et de la couronne extérieure 8, passant par le gicleur d'injection pilote 11 et horizontal à la figure 1. Cet axe central X permet de définir classiquement des directions axiale, radiale et tangentielle (ou angulaire), qu'on utilisera pour décrire le dispositif.
La couronne 6 est composée de deux portions unitaires, dont l'une est représentée de façon bien visible à la figure 2. Chaque portion unitaire comprend un groupe de tubes 15 juxtaposés et jointifs formant des conduits parallèles, qui s'étendent dans la direction tangentielle du dispositif d'injection. Les tubes 15 de la portion ont toutefois des longueurs différentes et s'arrêtent à des emplacements régulièrement répartis sur la circonférence de la couronne d'injection multipoint 6 et qui comportent des trous d'injection multipoint 16. Dans le mode de réalisation représenté, cette moitié de la couronne d'injection multipoint 6 comprend six tubes 15 et autant de trous d'injection multipoint 16, dont l'un d'entre eux, noté 16a, est diamétralement opposé au conduit d'alimentation 2 et dépend d'un tube, noté 15a, dont la longueur - près de 180° d'extension angulaire - est la plus grande. Dans cette réalisation, la partie d'injection multipoint comprend onze trous d'injection multipoint 16 au total, régulièrement répartis sur la circonférence complète de la couronne d'injection multipoint 6, et l'autre moitié de la couronne 6 peut être quasiment symétrique à celle-ci, si ce n'est qu'il n'y a pas de tube symétrique du tube 15a le plus long (figure 3). Les cinq tubes (dans ce mode de réalisation) du groupe de tubes de la portion unitaire non représentée de la couronne d'injection multipoint 6 peuvent avoir des longueurs angulaires respectivement semblables à celles des tubes 15 représentés (le tube 15a étant exclu), ou non, une dissymétrie plus grande des moitiés de la couronne d'injection multipoint 6 étant alors acceptée. On peut ainsi obtenir un dispositif comprenant un nombre pair ou impair de trous d'injection multipoint 16.
La couronne extérieure 8 forme un anneau continu, mais la couronne d'injection multipoint 6 est limitée par deux parois 10 entre lesquelles s'étend une chambre de distribution 17 de faible extension angulaire (au plus un intervalle entre deux trous d'injection multipoint 16). Le conduit d'alimentation 2 débouche dans la chambre de distribution 17 par au moins un tube d'alimentation 4 qui le prolonge dans le bras 3, et les tubes 15 débouchent aussi dans la chambre de distribution 17 après avoir traversé les parois 10. Aussi, le carburant circule librement du conduit d'alimentation 2 aux trous d'injection multipoint 16 en se répartissant avec équité dans les tubes 15. Une vanne non représentée permet cependant d'arrêter cette circulation à volonté, en fermant le tube d'alimentation 4. Le conduit d'alimentation 2 est doté d'autres tubes d'alimentation 18, qui débouchent dans la couronne extérieure 8 hors de la couronne d'injection multipoint 6 des deux côtés de la chambre de distribution 17 et assurent l'injection pilote de carburant.
La couronne extérieure 8 comprend un côté ouvert devant un embout 19 à l'extrémité du bras 3 et sur son côté, et les tubes d'alimentation 4 et 18 traversent cet embout 19. L'embout 19 a une extrémité circulaire 20 correspondant à ce côté ouvert. Lorsque cette extrémité circulaire 20 est enfoncée dans une collerette 21 en saillie sur le bord extérieur de la couronne extérieure 8 vers le bras 3, un ajustement étanche peut être obtenu. Et l'extrémité circulaire 20 comporte un trou 22 diamétralement opposé au conduit d'alimentation 2, dans lequel une extrémité du conduit d'injection pilote 9 est enfoncée, tandis que l'extrémité opposée du conduit d'injection pilote 9, qui est coudé, s'ajuste sur le gicleur d'injection pilote 11. Il en résulte une circulation de carburant sans obstacle des deux côtés de la couronne extérieure 8 autour de la couronne d'injection multipoint 6 jusqu'au gicleur d'injection pilote 11. Baignée par le carburant extérieur, la couronne d'injection multipoint 6 échappe à la cokéfaction et aux risques de colmatage des tubes 15 qui auraient pu apparaître quand le carburant qui y est présent stagne alors que l'injection multipoint est arrêtée. Le carburant circulant dans l'injection pilote et notamment autour de la couronne d'injection multipoint 6 reste à une température de moins de 100°C, bien inférieure à celle de l'air ambiant, et il entretient donc un échange de chaleur suffisant pour assurer cette protection contre la cokéfaction.
Une distribution uniforme du carburant peut être espérée dans les différents tubes 15 des deux parties de la couronne d'injection multipoint 6, conformément à l'objectif de l'invention qui est d'assurer un débit égal dans les différents trous d'injection 16 grâce à la division précoce de l'écoulement d'injection multipoint. On peut si nécessaire construire les tubes 15 avec des caractéristiques géométriques différentes, afin d'y égaliser les pertes de charge et de renforcer cette égalité recherchée de débit : on peut ainsi envisager de compenser les effets des différences de longueurs entre les tubes 15, par exemple en les construisant avec des sections différentes, plus importantes pour les tubes 15 les plus longs, ou des irrégularités de section plus importantes ou d'autres obstacles dans les tubes 15 les plus courts. On dispose d'une grande liberté de conception pour cela, qui est rendue possible en fabriquant la couronne d'injection multipoint 6 par un procédé d'addition de matière d'une pièce avec la 5 couronne extérieure 8 ou séparément. Les tubes 15 se joignent aux trous d'injection multipoint 16 par des tubes de raccord 23 qui s'étendent essentiellement dans la direction de l'axe central de la couronne d'injection multipoint 6 et font un coude avec les tubes 15.
On peut faire participer ces tubes de raccord 23 à l'égalisation des pertes de charge dans les trajets reliant la chambre de distribution 17 à chacun des trous d'injection multipoint 16. Une règle de dimensionnement qu'on peut favorablement leur appliquer est de leur attribuer un rapport (longueur, entre chaque trou d'injection multipoint 16 et le coude de jonction au tube 15 respectif, sur diamètre : figure 6) identique (— = — = — ), afin que les hauteurs de pénétration des jets de carburant dans
VDi d2 d3/ le volume intérieur 12 de la chambre de combustion 25 soient aussi identiques et qu'une injection régulière soit donc obtenue. Cette règle se justifie d'autant mieux que les tubes sont souvent groupés en nappes dans la couronne extérieure 8 à des profondeurs différentes sous les trous d'injection multipoint 16.
Claims (11)
1) Dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion d'un moteur d'aéronef, comprenant une première partie d'injection dite pilote (11), centrale, une deuxième partie d'injection dite multipoint (6) entourant la partie pilote, la partie multipoint étant raccordée à un conduit d'alimentation (2) en carburant et comprenant des trous d'injection (16) du carburant dans la chambre de combustion, caractérisé en ce que la partie multipoint comprend, entre lesdits trous d'injection et ledit conduit d'alimentation, une pluralité de conduits (15) parallèles entre eux et reliés chacun à un trou d'injection (16) respectif, les conduits s'étendant circonférentiellement autour de la partie pilote sur des secteurs angulaires différents.
2) Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie multipoint (6) est en forme de couronne.
3) Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les conduits parallèles (15) se raccordent aux trous (16) par des tubes de raccord (23) qui sont orientés dans une direction essentiellement identique à un axe central (X) de la couronne.
4) Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 3, caractérisé en ce que les tubes de raccord (23) ont des rapports longueur sur diamètre identiques.
5) Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les conduits parallèles (15) forment deux groupes dont chacun s'étend dans une moitié angulaire respective de la couronne.
6) Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les conduits parallèles ont des sections différentes, croissantes pour des valeurs croissantes des secteurs angulaires.
7) Dispositif d'injection de carburant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un au moins des conduits parallèles (15) s'étend sur un secteur angulaire d'au moins 135°.
8) Dispositif d'injection de carburant selon l'une des revendications 1 à
7, caractérisé en ce que le conduit d'alimentation (2) débouche dans une chambre d'alimentation (17) de la partie multipoint, à laquelle sont reliés tous les conduits (15)
9) Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des
5 revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une partie des conduits parallèles est composée de tubes jointifs et rigides formant une portion unitaire.
10) Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 9, caractérisé en ce que la portion unitaire est fabriquée par un procédé d'addition de matière.
10
11) Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne extérieure (8) d'alimentation en carburant de la partie pilote, lesdits conduits parallèles (15) de la partie multipoint étant compris dans ladite couronne extérieure d'alimentation.
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