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CA 02561225 2006-09-27
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Bras d'injecteur anti-cokéfaction.
L'invention se rapporte à un injecteur de carburant équipant la chambre
de combustion d'un moteur de turbine à gaz, plus particulièrement dans
un turboréacteur d'avion. Elle concerne notamment un perfectionnement
permettant d'éviter la cokéfaction du carburant dans le bras de l'injecteur
où sont ménagés deux conduits coaxiaux appartenant à des circuits
d'alimentation de carburant différents, respectivement un circuit primaire
et un circuit secondaire.
Dans un turboréacteur d'avion, la chambre de combustion est
pourvue d'une pluralité d'injecteurs régulièrement répartis
circonfêrentiellement au fond de la chambre de combustion annulaire.
Chaque injecteur comporte un bras courbe terminé par une tête de
pulvérisation. Le carburant circule dans ce bras, fixé au carter extérieur
entourant la chambre de combustion, jusqu'à la tête de pulvérisation. L'air
comprimé provenant d'un compresseur haute pression circule dans ce
carter. Le carburant est mélangé à l'air dans le fond de la chambre de
combustion avant de s'enflammer dans celle-ci.
Pour garantir une pulvérisation optimale du carburant dans
toutes les conditions de fonctionnement du moteur, on a proposé des
injecteurs mécaniques à deux circuits de carburant appelés
respectivement circuit primaire et circuit secondaire.
Le circuit dit primaire ou circuit de ralenti est conçu pour obtenir
une pulvérisation particulièrement fine du carburant. Son débit est limité
mais permanent.
Le circuit dit secondaire ou circuit plein gaz est conçu pour
compléter le débit de carburant jusqu'au point de plein gaz permettant,
notamment, d'atteindre toute la puissance nécessaire au décollage. En
revanche, ce circuit secondaire n'est pas utilisé en permanence et son
débit est parfois très faible à certains régimes.
Le carburant de ces deux circuits parvient à la tête de
pulvérisation en s'écoulant dans des conduits coaxiaux définis à l'intérieur
du bras.
Classiquement, le conduit central appartient au circuit primaire
et le conduit tubulaire qui l'entoure appartient au circuit secondaire. Or, la
plus grande partie de l'injecteur, notamment le bras, peut être soumis à
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des températures élevées (300°K à 950°K pour un régime plein
gaz)
puisqu'un tel bras est installé dans un flux d'air chaud provenant du
dernier étage du compresseur haute pression. De plus, pendant certaines
phases de fonctionnement où la température de l'air issu du compresseur
est relativement élevée (430 à 600°K), le circuit secondaire peut ne
pas
être utilisé ou présenter un débit très faible, comme mentionné ci-dessus.
II pourrait en résulter un gommage ou une cokéfaction du
carburant stagnant à l'intérieur de la partie du circuit secondaire qui
s'étend dans le bras, c'est-à-dire le conduit tubulaire extérieur.
Ces phénomènes peuvent altérer les caractéristiques des
injecteurs, pouvant aller jusqu'au bouchage de certains d'entre eux et
entraînant donc une carburation non homogène dans la chambre de
combustion ainsi qu'une distorsion de la carte des températures à
l'intérieur de celle-ci. II peut en résulter une perte de performances de la
chambre de combustion et de la turbine. Ces problèmes peuvent
provoquer des brûlures du distributeur haute pression, de la turbine haute
pression et même de certains éléments constitutifs de la turbine basse
pression.
Pour éviter les phénomènes de cokéfaction, un injecteur
mécanique double circuit classique comporte une isolation thermique
renforcée autour du bras de l'injecteur. Un tel bras est donc complexe et
coûteux à fabriquer et sa masse est augmentée par les éléments
d'isolation thermique.
L'invention propose une nouvelle conception de l'injecteur,
notamment du bras de celui-ci, permettant de supprimer ou au moins de
considérablement réduire l'isolation thermique statique au profit d'un
refroidissement par la circulation du carburant lui-même.
Plus précisément, l'invention concerne un injecteur de
carburant pour chambre de combustion de moteur de turbine à gaz du
type comportant un bras d'injecteur à deux conduits coaxiaux supportant
et alimentant une tête de pulvérisation à double jet, respectivement un
conduit central et un conduit périphérique à section annulaire entourant
ledit conduit central, ledit bras d'injecteur étant installé dans une veine
d'air comprimé relativement chaud, caractérisé en ce que ledit conduit
périphérique est apte à être raccordé à un circuit de carburant dit
primaire, à débit permanent, tandis que ledit conduit central est apte à
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être raccordé à un circuit de carburant dit secondaire à débit
essentiellement variable et en ce que ladite tête de pulvérisation comporte
un agencement de canaux permettant d'éjecter le carburant circulant dans
ledit conduit central en un jet divergent situé à l'extérieur du jet de
carburant issu dudit conduit périphérique.
En effet, puisque le carburant circule en permanence dans le
circuit primaire, le fait de le faire circuler autour du conduit central dans
lequel circule dorénavant le carburant du circuit secondaire permet
d'éviter la cokéfaction dans ce conduit lorsque le carburant y stagne ou y
circule avec un très faible débit. Le carburant du circuit primaire, introduit
à une température beaucoup plus basse que celle de l'air provenant du
compresseur haute pression, ne peut faire l'objet d'une cokéfaction
(puisqu'il circule en permanence) et permet de refroidir le carburant du
circuit secondaire lorsque celui-ci stagne dans le conduit central.
Comme mentionné précédemment, il est souhaitable de
pulvériser le carburant provenant du circuit primaire au centre du jet
divergent délivré par l'injecteur et le carburant issu du circuit secondaire à
la périphérie du jet pulvérisé.
Ladite tête de pulvérisation peut comporter un répartiteur
connecté aux extrémités des deux conduits définis dans le bras. Ce
répartiteur est logé dans un embout de pulvérisation prolongeant ledit
bras et ledit agencement de canaux est ménagé essentiellement dans ledit
répartiteur.
Par exemple, le conduit central est prolongé par un trou borgne
axial dudit répartiteur et des perçages s'étendent entre ledit trou borgne
et des rainures respectives pratiquées, par exemple longitudinalement, à
la surface dudit répartiteur. Ces rainures forment, avec la surface
intérieure de l'embout, des canaux extérieurs débouchant dans une cavité
annulaire ouverte définie à l'extrémité libre de cet embout.
Par exemple, une buse prolongeant ledit répartiteur à l'intérieur
dudit embout comporte extérieurement des nervures sensiblement
hélicoïdales et en contact avec la paroi intérieure de l'embout. Ainsi, la
buse définit avec ladite paroi intérieure de l'embout des canaux de mise
en rotation agencés entre les canaux extérieurs du distributeur et la cavité
annulaire. La mise en rotation du carburant permet d'obtenir un jet
divergent.
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Pour ce qui concerne le carburant du circuit primaire, la buse
est creusée pour définir avec l'extrémité dudit répartiteur, une cavité
centrale comportant un orifice central pour la pulvérisation du carburant.
Le conduit périphérique défini dans le bras communique avec des
perçages pratiqués dans le répartiteur et débouchant dans cette cavité
centrale. Ces perçages s'étendent au moins en partie en biais par rapport
à un axe du répartiteur, pour engendrer une mise en rotation du
carburant dans la cavité centrale et par conséquent une éjection
divergente du jet de carburant pulvérisé.
L'invention concerne aussi un système d'injection de carburant
dans une chambre de combustion de moteur de turbine à gaz du type
comportant un circuit de carburant dit primaire, à débit permanent, un
circuit de carburant dit secondaire à débit essentiellement variable et un
bras d'injecteur à deux conduits coaxiaux supportant et alimentant une
tête de pulvérisation à double jet, respectivement un conduit central et un
conduit périphérique à section annulaire entourant ledit conduit central,
ledit bras d'injecteur étant installé dans une veine d'air comprimé
relativement chaud, caractérisé en ce que ledit conduit périphérique est
connecté au circuit de carburant dit primaire, tandis que ledit conduit
central est connecté au circuit de carburant dit secondaire et en ce que
ladite tête de pulvérisation comporte un agencement de canaux
permettant d'éjecter le carburant circulant dans ledit conduit central en un
jet divergent situé à l'extérieur du jet de carburant issu dudit conduit
périphérique.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-
ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre
d'un injecteur conforme à son principe, donnée uniquement à titre
d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue schématique en coupe de la chambre
de combustion, montrant l'un des injecteurs conformes à l'invention ;
- la figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'extrémité
de l'injecteur ;
- la figure 3 est une vue en perspective de la partie terminale
de l'injecteur, selon une coupe III III de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue en perspective, de la même partie
terminale de l'injecteur, selon une coupe IV IV de la figure 2.
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La figure 1 représente partiellement en demi coupe, une
chambre de combustion 11 d'un turboréacteur d'avion 10. La chambre de
combustion à géométrie globalement annulaire comporte un fond de
chambre 12 à l'intérieur duquel sont engagées les têtes de pulvérisation
5 14 d'un certain nombre d'injecteurs 15 portés par un carter 16 entourant
la chambre de combustion. Les injecteurs 15 sont espacés régulièrement
circonférentiellement. De l'air sous pression relativement chaud, provenant
d'un compresseur haute pression situé en amont, est introduit dans le
carter par un diffuseur annulaire 18. L'air chaud se partage en deux flux ;
l'un traverse le carter 16 en contournant la chambre de combustion 11 et
l'autre s'engage dans la chambre de combustion par des orifices du fond
de chambre 12, pour se mélanger au carburant projeté par les têtes de
pulvérisation 14 dans la chambre de combustion. Le carburant s'enflamme
pour fournir des gaz alimentant une turbine haute pression 20 située en
aval.
Chaque injecteur 15 comporte un bras d'injecteur 22 à deux
conduits coaxiaux, supportant et alimentant la tête de pulvérisation 14 qui
est du type à double jet. Le bras 22 est coudé à façon à maintenir la tête
de pulvérisation perpendiculaire au fond de chambre. La structure du bras
est des plus simples. II comporte un tube extérieur 24 entouré d'une
enveloppe protectrice 25 et un tube intérieur 26 engagé co-axialement
dans le tube extérieur de façon à définir deux conduits coaxiaux, un
conduit central 28 délimité par ledit tube intérieur et un conduit
périphérique 29 à section annulaire entourant le conduit central et délimité
par les deux tubes 24, 26 intérieur et extérieur. Comme on le voit sur la
figure :1, le bras d'injecteur est installé dans une veine d'air comprimé
relativement chaud, à savoir pour partie l'air qui contourne extérieurement
la chambre de combustion 11 et pour partie l'air qui pénètre dans cette
chambre de combustion.
D'autre part, comme mentionné précédemment, chaque
injecteur 15 est relié à deux circuits d'alimentation de carburant
permettant d'adapter les conditions d'alimentation aux différents régimes
du moteur. Les deux circuits, à l'extérieur du carter 16 sont symbolisés en
traits interrompus. On distingue un circuit de carburant 32 dit primaire ou
circuit de ralenti dont le débit, quoique faible, est permanent, quelles que
soient les conditions de fonctionnement du moteur et un circuit de
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carburant 33 dit secondaire à débit essentiellement variable mais pouvant
dans certaines phases de fonctionnement être très faible voire presque
nul.
Selon une caractéristique importante de l'invention, le conduit
périphérique 29 fait partie du circuit de carburant 32 dit primaire tandis
que le conduit central 28 fait partie du circuit de carburant 33 dit
secondaire. Ainsi, pour les raisons indiquées plus haut, le carburant qui
circule dans le conduit périphérique (à une température très inférieure à
celle de l'air qui circule dans le carter) n'a pas le temps de se cokéfier du
fait d'un débit suffisant et constitue d'autre part une protection thermique
efficace pour le carburant qui se trouve dans le conduit central 28. En
effet, le carburant circulant dans le conduit périphérique refroidit en
permanence le tube intérieur 26 et empêche le réchauffement du
carburant qui stagne éventuellement, à certains moments, dans le conduit
central. Par conséquent, la cokéfaction du carburant dans le conduit
central est évitée.
De ce fait, tous les systèmes d'isolation coûteux et compliqués
qui étaient prévus dans un système d'injection classique, ont pu être
supprimés.
Dans un injecteur double débit classique, on souhaite que le jet
de carburant provenant du circuit secondaire 33 enveloppe le jet de
carburant provenant du circuit primaire 32. Pour ce faire, la tête de
pulvérisation comporte un agencement de canaux permettant d'éjecter le
carburant circulant dans ledit conduit central 28 en un jet divergent situé à
l'extérieur du jet de carburant issu du conduit périphérique 29.
Comme on le voit sur les figures, la tête de pulvérisation 14
comporte, à l'extrémité du bras 22 : un répartiteur 35, une buse 37
prolongeant ledit répartiteur et un embout 39 raccordé à l'extrémité du
bras 22 et entourant le répartiteur et la buse.
Le répartiteur 35 est connecté aux extrémités des deux
conduits 28, 29. II est approximativement cylindrique et admet un axe x-x
qui se confond avec l'axe du double jet divergent qui est produit par la
tête de pulvérisation 14. L'agencement de canaux précité est ménagé
essentiellement dans ce répartiteur.
Ainsi, le conduit central 28 est prolongé par un trou borgne 39
axial dudit répartiteur. Des perçages 41 perpendiculaires au trou borgne
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(ici quatre perçages à 90° les uns par rapport aux autres) s'étendent
entre
le trou borgne et des rainures 42 respectives pratiquées, ici
longitudinalement, à la surface du répartiteur. Comme l'embout 39 est
ajusté sur le répartiteur, les rainures 42 forment avec la surface intérieure
de cet embout des canaux extérieurs 43 débouchant dans une cavité
annulaire ouverte 45 définie à l'extrémité libre de l'embout. Celui-ci
comporte un orifice conique 47 qui délimite le contour extérieur de la
sortie de ladite cavité annulaire ouverte 45. Cette cavité annulaire est
limitée intérieurement par la surface extérieure, ici conique, de la buse 37.
Celle-ci prolonge le répartiteur 35 à l'intérieur de l'embout et elle comporte
extérieurement des nervures 60 sensiblement hélicoïdales elles-mêmes en
contact avec la paroi intérieure de l'embout 39. Elles définissent donc avec
celles-ci des canaux de mise en rotation qui sont agencés entre les canaux
extérieurs 43 et la cavité annulaire 45.
Ainsi, le carburant amené par le conduit central 28 passe par le
trou borgne 39, puis dans les perçages 41 et dans les canaux extérieurs
avant de s'engager dans les canaux de mise en rotation. On obtient ainsi
un jet divergent qui entoure le jet issu du conduit périphérique.
La buse 37 est creusée pour définir, avec l'extrémité du
répartiteur 35, une cavité centrale 50 débouchant axialement par un
orifice central 52 pour la pulvérisation du carburant du circuit primaire.
Ainsi, la cavité annulaire 45 débouche tout autour de cet orifice central 52.
Le conduit périphérique 29 communique avec des perçages 55 pratiqués
dans le répartiteur et débouchant dans cette cavité centrale 50. Comme
représenté, ces perçages s'étendent d'abord sensiblement
longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe puis en biais par
rapport à cet axe pour engendrer une mise en rotation du carburant dans
la cavité centrale. De cette façon, le jet pulvérisé qui ressort de l'orifice
central 52 est divergent.
L'invention concerne en premier lieu l'agencement anti-
cokéfaction, c'est-à-dire essentiellement la structure du bras 22. Une telle
structure peut être utilisée avec d'autres types de tête de pulvérisation
conçus pour être alimentées par un circuit primaire et un circuit
secondaire tels que définis ci-dessus.
