SYSTEME D'INJECTION AEROMECANIQUE A VRILLE PRIMAIRE ANTI-RETOUR

AEROMECHANICAL INJECTION SYSTEM WITH PRIMARY ANTI-RETURN VALVE

English Abstract

Injection system of a combustion chamber of a turbomachine comprising a fuel injection nozzle effecting the vaporization of the fuel in the combustion chamber and a mixer/deflector assembly coaxial with the said injection nozzle and which effects the mixing of the oxidizing agent/fuel blend and diffuses it in the combustion chamber, the said mixer/deflector assembly comprising a primary swirler (40) and a secondary swirler (42) disposed axially at a determined distance from one another and separated by a venturi device (44) disposed coaxially with the injection nozzle, the primary swirler being fixed solidarily to the injection nozzle and separated from the latter by a constant radial distance, determined in a manner such that the fuel vaporized by the injection nozzle can in no way impact the primary swirler. Preferentially, the venturi device has an interior surface (44A) presenting on an upstream part a discontinuity of slope P.

French Abstract

Système d'injection d'une chambre de combustion de turbomachine comportant une buse d'injection de carburant assurant la vaporisation du carburant dans la chambre de combustion et un ensemble mélangeur/déflecteur coaxial à cette buse d'injection et qui réalise le mélange comburant/carburant et le diffuse dans la chambre de combustion, cet ensemble mélangeur/déflecteur comportant une vrille primaire (40) et une vrille secondaire (42) disposés axialement à une distance déterminée l'un de l'autre et séparés par un dispositif à venturi (44) disposé coaxialement à la buse d'injection, la vrille primaire étant fixée solidairement à la buse d'injection et séparée de celle-ci d'une distance radiale constante, déterminée de telle sorte que le carburant vaporisé par la buse d'injection ne peut en aucune façon impacter sur la vrille primaire. De préférence, le dispositif à venturi comporte une surface interne (44A) présentant sur une partie amont une discontinuité de pente P.

Claims

6
REVENDICATIONS
1. Système d'injection d'une chambre de combustion de turbomachine,
comportant d'une part une buse d'injection de carburant assurant la
vaporisation du
carburant dans la chambre de combustion et d'autre part un ensemble
mélangeur/déflecteur disposé coaxialement à ladite buse d'injection et qui
réalise un
mélange comburant/carburant et le diffuse dans ladite chambre de combustion,
ledit
ensemble mélangeur/déflecteur comportant un premier dispositif à tourbillon
fixé
solidairement à ladite buse d'injection et séparé de celle-ci d'une distance
radiale
constante, et au moins un second dispositif à tourbillon, disposés axialement
à une
distance déterminée l'un de l'autre, et séparés par un dispositif à venturi
disposé
coaxialement à ladite buse d'injection, caractérisé en ce que ledit dispositif
à venturi
comporte une surface interne présentant sur une partie amont une discontinuité
de
pente P.
2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit
second dispositif à tourbillon est monté coulissant par rapport à ladite buse
d'injection
par l'intermédiaire d'une couronne solidaire dudit second dispositif à
tourbillon et qui
est mobile, perpendiculairement à un axe de révolution S de ladite buse
d'injection,
dans un logement annulaire dudit dispositif à venturi.
3. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que
ladite partie amont de la surface interne du dispositif à venturi comporte une
marche
concave.
4. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que
ladite partie amont de la surface interne du dispositif à venturi comporte une
marche
convexe.

Description

CA 02393082 2002-07-10
1
Système d'injection aéromécanique à vrille primaire anti-retour
Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine spécifique des turbomachines
et elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par l'injection de
carburant dans la chambre de combustion d'une turbomachine.
Art antérieur
Classiquement, dans un turboréacteur ou un turbopropulseur,
comme l'illustre la figure 4, l'injection de carburant dans la chambre de
combustion
50 est effectuée à partir de plusieurs systèmes d'injection 52 comportant
chacun,
d'une part une buse d'injection de carburant 54 assurant la vaporisation du
carburant dans la chambre de combustion et d'autre part un ensemble
mélangeur/déflecteur 56 qui réalise le mélange comburant/carburant et le
diffuse
dans cette chambre de combustion. Cet ensemble mélangeur/déflecteur comporte
un premier dispositif à tourbillon ou vrille primaire (swirler 58) monté
coulissant
sur la buse d'injection de carburant 54 (via un manchon 60), un dispositif à
venturi
62, un second dispositif à tourbillon ou vrille secondaire 64 et un déflecteur
66 fixé
sur le fond de la chambre de combustion 68. La demande de brevet française N
2
728 330 et le brevet américain N 5 490 378 sont deux exemples parfaits de cet
art
antérieur. On notera que dans les tous systèmes d'injection divulgués à ce
jour,
comme l'illustre la figure 5, la surface interne du venturi 62A sur laquelle
va
impacter le carburant vaporisé par la buse d'injection 54 présente toujours
une
surface continue (sans discontinuité de pente) jusqu'à la sortie d'air de la
vrille
primaire.
Cette architecture conventionnelle de système d'injection a toutefois
l'inconvénient majeur de présenter, dans certaines conditions particulières
d'utilisation, un risque d'auto-inflammation de nature à provoquer une
destruction
de la chambre de combustion. En effet, l'impact du carburant sur la surface
interne
du venturi, nécessaire pour obtenir un film de carburant dont la fragmentation
en
fines gouttelettes sera assurée par les cisaillements générés par les vrilles
primaire
et secondaire, se traduit parfois par des remontées de carburant dans les
cubages
de la vrille primaire. De plus, du fait que la zone d'impact du carburant sur
cette

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surface interne n'est pas précisément localisée, une injection de carburant à
contre-
courant dans cette vrille primaire peut aussi éventuellement se produire. Or,
un tel
retour de carburant dans la vrille primaire peut contribuer à amener ce
carburant à
l'extérieur du tube à flamme et donc risquer une destruction du foyer de la
chambre de combustion de la turbomachine.
Objet et définition de l'invention
La présente invention pallie ces inconvénients en proposant un système
d'injection de turbomachine comportant d'une part une buse d'injection de
1o carburant assurant la vaporisation du carburant dans la chambre de
combustion et
d'autre part un ensemble mélangeur/déflecteur disposé coaxialement à ladite
buse
d'injection et qui réalise le mélange comburant/carburant et le diffuse dans
ladite
chambre de combustion, ledit ensemble mélangeur/déflecteur comportant un
premier dispositif à tourbillon (ou vrille primaire) et au moins un second
dispositif
à tourbillon (ou vrille secondaire) disposés axialement à une distance
déterminée
l'un de l'autre et séparés par un dispositif à venturi disposé coaxialement à
ladite
buse d'injection, caractérisé en ce que ledit premier dispositif à tourbillon
est fixé
solidairement à ladite buse d'injection et séparé de celle-ci d'une distance
radiale
constante, déterminée de telle sorte que le carburant vaporisé par ladite buse
d'injection ne peut en aucune façon impacter sur ledit premier dispositif à
tourbillon.
De préférence, le second dispositif à tourbillon est monté coulissant par
rapport à ladite buse d'injection par l'intermédiaire d'une couronne solidaire
dudit
second dispositif à tourbillon et qui peut se déplacer, perpendiculairement à
un axe
de révolution de ladite buse d'injection, dans un logement annulaire dudit
dispositif
à venturi.
Avec ce système de liaison coulissante au niveau de la seule vrille
secondaire, l'injection de carburant à contre-courant dans la vrille primaire
est
éliminée.
Selon un mode de réalisation avantageux, ce dispositif à venturi comporte
une surface interne présentant sur une partie amont une discontinuité de
pente.

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Cette partie amont de la surface interne du dispositif à venturi peut
comporter une
marche concave ou une marche convexe.
Avec cette architecture spécifique de venturi, l'injection de carburant par
capillarité dans la vrille primaire peut être limitée.
Brève description des dessins
Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en
regard des
dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie
d'injection
d'une turbomachine conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 dans un premier
exemple de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 dans un second
exemple de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie
d'injection
d'une turbomachine incorporant un système d'injection de l'art antérieur, et
- la figure 5 est une vue agrandie d'une partie de la figure 4.
Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel
La figure 1 montre en demi-coupe axiale une partie d'injection d'une
turbomachine comprenant :
une enveloppe annulaire externe (ou carter externe) 12, d'axe longitudinal 10,
une enveloppe annulaire interne (ou carter interne) coaxiale 14,
. un espace annulaire 16 compris entre les deux enveloppes 12 et 14 recevant
le
comburant comprimé, généralement de l'air, provenant en amont d'un compresseur
(non représenté) de la turbomachine, au travers d'un conduit annulaire de
diffusion
18 (on notera la présence de la grille de diffusion 18a) définissant un flux
général F
d'écoulement des gaz, cet espace 16 comportant, dans le sens d'écoulement de
ces
gaz, tout d'abord un ensemble d'injection comportant une pluralité de systèmes
d'injection 20 fixés sur l'enveloppe annulaire externe 12 et régulièrement
répartis
autour du conduit 18, ensuite une chambre de combustion annulaire 22, et enfin
un

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distributeur annulaire (non représenté) formant un étage d'entrée d'une
turbine
haute pression.
La chambre de combustion annulaire est formée d'une paroi axiale externe
24 et d'une paroi axiale interne 26, toutes deux coaxiales d'axe 10, et d'une
paroi
transversale 28 formant fond de chambre et pourvue d'une pluralité
d'ouvertures
30 pour la fixation des systèmes d'injection. Les différentes liaisons entre
les
extrémités amont des parois axiales de la chambre 24, 26, éventuellement des
casquettes 32, 34 prolongeant en amont ces extrémités de parois, et des
extrémités
rabattues du fond de chambre 28 est effectuée par tout moyen de fixation
io conventionnel (non représenté), par exemple des boulons à vis à tête
conique, de
préférence de type à écrou prisonnier.
Chaque système d'injection de l'ensemble d'injection comporte d'une part
une buse d'injection de carburant 36 assurant la vaporisation du carburant
dans la
chambre de combustion et d'autre part un ensemble mélangeur/déflecteur 38
coaxial à cette buse d'injection et qui réalise le mélange comburant/carburant
et le
diffuse dans cette chambre de combustion. Cet ensemble mélangeur/déflecteur
comporte au moins un premier dispositif à tourbillon ou vrille primaire
(swirler 40)
et un second dispositif à tourbillon ou vrille secondaire 42 espacés
axialement l'un
de l'autre d'une distance déterminée et séparés par un dispositif à venturi
44. La
vrille secondaire est prolongée par un déflecteur 46 fixé au fond de chambre
28 et
qui s'étend au travers de l'ouverture 30 dans la chambre de combustion 22.
Selon l'invention, la vrille primaire 40 est fixée solidairement à la buse
d'injection 36, par exemple par l'intermédiaire d'un manchon 48, et dont elle
est
donc séparée par une distance radiale constante. Cette distance est déterminée
de
telle sorte que, quels que soient les régimes de fonctionnement de la
turbomachine
(autorotation, ralenti, plein gaz), le carburant vaporisé par la buse
d'injection ne
peut en aucune façon impacter sur la vrille primaire. Ainsi, on peut éviter
toute
éventuelle injection à contre-courant de carburant dans cette vrille primaire
résultant des dispersions de carburant existant naturellement d'un injecteur à
l'autre (du fait des angles d'injection, de l'homogénéité circonférentielle,
etc.)
comme des rebonds de carburant sur le dispositif à venturi.

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Selon un premier mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 2, le
dispositif à venturi comporte en outre sur sa surface interne 44A une partie
amont
présentant en P une discontinuité de pente de façon à empêcher, ou à tout le
moins
réduire notablement, tout risque de remontée du carburant par capillarité dans
la
5 vrille primaire 40 du système d'injection 20. Cette discontinuité de pente
effectuée
en amont de la surface externe E du cône d'injection de carburant peut par
exemple être constituée par une marche concave. Sur l'exemple de réalisation
de la
figure 3, cette discontinuité de pente est au contraire constituée par une
marche
convexe.
En outre, afin de laisser un débattement suffisant entre la buse d'injection
36 solidaire de l'enveloppe externe 12 et l'ensemble mélangeur/déflecteur 38
(notamment pour la gestion des dilatations thermiques), la vrille secondaire
42 est
montée coulissante par rapport à cette buse d'injection, perpendiculairement à
un
axe de révolution S de la buse, par exemple par l'intermédiaire d'une couronne
47
fixée sur cette vrille secondaire et pouvant se déplacer dans un logement
annulaire
49 du dispositif à venturi 44. A cet effet, un jeu suffisant est laissé entre
la
périphérie interne de ce logement annulaire et la périphérie externe de la
couronne.
Avec la configuration de liaison coulissante proposée, la buse d'injection
est constamment centrée par rapport à la vrille primaire et le dispositif à
venturi
évitant ainsi toute injection de carburant à contre-courant, et la
discontinuité de
pente de ce venturi permet en outre d'éviter toute remontée de carburant par
capillarité. Ainsi, avec la structure particulière de l'invention, on assure
une bonne
pulvérisation du carburant dans toutes les conditions de vol et notamment dans
les
conditions particulières les plus sévères de rallumage en autorotation à
faible
Mach, conditions dans lesquelles les pertes de charge d'alimentation en air
sont
trop faibles pour garantir une fragmentation suffisante du carburant et ainsi
accéder
à un vaste domaine de rallumage.

Representative Drawing