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CA 02572857 2007-01-04
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Refroidissement d'un dispositif d'injection multimode pour
chambre de combustion, notamment d'un turboréacteur.
L'invention se rapporte à un dispositif d'injection multimode
pour chambre de combustion, notamment la chambre de combustion d'un
turboréacteur. Elle concerne plus particulièrement le refroidissement de la
chambre de distribution annulaire alimentée par le circuit secondaire et qui
communique avec une pluralité de trous d'éjection de carburant assurant
la pulvérisation périphérique du carburant délivré par le circuit secondaire.
Dans un turboréacteur d'avion, la chambre de combustion est
pourvue d'une pluralité de dispositifs d'injection régulièrement répartis
circonférientiellement au fond de celle-ci. Chaque dispositif d'injection
comporte un bras dans lequel sont définis des conduits coaxiaux
appartenant respectivement à un circuit de carburant dit primaire et un
circuit de carburant dit secondaire. Chacun des conduits coaxiaux définis à
l'intérieur du bras alimente deux systèmes de pulvérisation de carburant,
coaxiaux définis dans une même tête de pulvérisation.
Le circuit primaire ou circuit de ralenti est conçu pour obtenir
une pulvérisation particulièrement fine de carburant. Son débit est limité
mais permanent.
Le circuit 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.
A titre d'exemple, le brevet EP 1 369 644 décrit un dispositif
d'injection multimode de ce type.
L'air comprimé provenant d'un compresseur haute pression
circule dans le carter où se trouve la chambre de combustion. Une partie
de l'air traverse les dispositifs d'injection, se mélange au carburant délivré
par les circuits primaire et secondaire dans le fond de la chambre de
combustion, avant de s'enflammer dans celle-ci.
Le dispositif d'injection peut être soumis à des températures
élevées (300 K à 950 K pour un régime plein gaz) puisqu'il est installé
dans un flux d'air chaud provenant du dernier étage du compresseur
haute pression. De plus, pendant certaines phases de fonctionnement où
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la température de l'air issu du compresseur est relativement élevée (430
à 630 K), le circuit secondaire peut ne pas être utilisé ou présenter un
débit très faible.
Il pourrait en résulter un gommage ou une cokéfaction du
carburant stagnant à l'intérieur de la tête de pulvérisation et plus
particulièrement à l'intérieur de la chambre de distribution annulaire
alimentant les différents trous d'éjection de carburant assurant la
pulvérisation périphérique. Ces phénomènes peuvent altérer la qualité de
la pulvérisation du carburant fourni par le circuit secondaire et entraîner
une carburation non homogène dans la chambre de combustion ainsi
qu'une distorsion de la carte des températures à l'intérieur de celle-ci. Il
peut en résulter une perte de performance de la chambre de combustion
et de la turbine haute pression. Ces problèmes peuvent provoquer des
brûlures du distributeur haute pression, de la turbine haute pression et
même de certaines éléments constitutifs de la turbine basse pression.
L'invention propose une nouvelle conception de la tête de
pulvérisation permettant de supprimer le risque de cokéfaction en
assurant le refroidissement du carburant délivré par le circuit secondaire
par la circulation permanente du carburant délivré par le circuit primaire.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif d'injection
multimode pour chambre de combustion, du type comportant deux
systèmes de pulvérisation de carburant coaxiaux alimentés respectivement
par deux circuits, un circuit primaire à débit permanent et un circuit
secondaire à débit intermittent, caractérisé en ce qu'il comprend une tête
de pulvérisation dans laquelle ledit circuit secondaire est connecté à une
chambre de distribution annulaire percée d'une pluralité de trous
d'éjection de carburant régulièrement répartis circonférentiellement et
dans laquelle ledit circuit primaire comporte au moins une partie de
conduit jouxtant ladite chambre de distribution, pour son refroidissement.
Par exemple, ladite partie de conduit comporte un tronçon
annulaire externe ménagé radialement extérieurement par rapport à ladite
chambre de distribution et un tronçon annulaire interne ménagé
radialement intérieurement par rapport à cette même chambre de
distribution.
Les deux tronçons annulaires peuvent être connectés en série.
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Selon une variante, la chambre de distribution comporte deux
parties symétriques alimentées séparément tandis que les deux tronçons
annulaires interne et externe comportent chacun deux branches jouxtant
respectivement lesdites deux parties symétriques.
La tête de pulvérisation est constituée par l'assemblage de
plusieurs pièces. Parmi ces pièces, un corps annulaire relié au bras
comporte des rainures creusées sur sa face aval et définissant la chambre
de distribution et ladite partie de conduit dudit circuit primaire chargé de
la refroidir. Une collerette annulaire recouvre ces rainures, lesdits trous
d'éjection de carburant étant pratiqués dans cette collerette.
Avantageusement, lesdites rainures sont le résultat d'un traitement
d'électroérosion réalisé en une seule fois sur une ébauche massive de ce
corps annulaire.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-
ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre, donnée
uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés
dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'un dispositif
d'injection conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une coupe II-II de la figure 1;
- la figure 3 représente la face aval du corps annulaire du
dispositif d'injection, obtenue par électroérosion ;
- la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'une partie du
dispositif ;
- la figure 5 est une vue en perspective d'une autre partie du
dispositif ;
- la figure 6 est une vue analogue à la figure 3 illustrant une
variante ; et
- la figure 7 est une demi-coupe partielle semblable à la figure
1, illustrant une autre variante.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement en coupe l'un
des dispositifs d'injection multimode 11 monté sur la paroi de fond 13
d'une chambre de combustion annulaire 15 d'un turbo réacteur. Dans
l'exemple, deux modes d'injection sont combinés et le dispositif décrit
comporte deux systèmes de pulvérisation de carburant, coaxiaux,
alimentés respectivement par deux circuits de distribution de carburant,
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un circuit primaire 17, ici à débit permanent et un circuit secondaire 19, ici
à débit intermittent.
Les deux circuits ont en commun un bras 21 dans lequel sont
agencés deux conduits coaxiaux 17a, 19a appartenant respectivement aux
circuits primaire et secondaire, connectés à une tête de pulvérisation 18.
Le circuit primaire à débit permanent a un débit relativement faible. Il est
plus particulièrement adapté au régime de ralenti du moteur.
Le circuit secondaire 19 à débit intermittent est conçu pour
compléter le débit de carburant jusqu'au point de plein gaz, permettant
notamment d'atteindre toute la puissance nécessaire au décollage. Son
débit, essentiellement variable, peut être nul ou très faible à certains
régimes.
L'air comprimé provenant d'un compresseur haute pression
(non représenté) circule dans un carter 23 entourant la chambre de
combustion 15. L'air circule d'amont en aval, suivant le sens de la flèche F.
Dans la suite de la description, les termes amont ou
aval sont utilisés pour désigner la position d'un élément par rapport à
un autre en considérant le sens d'écoulement des gaz.
Une partie de l'air pénètre dans la chambre de combustion 15
en passant par les dispositifs d'injection 11. Le carburant est mélangé à
l'air dans le fond de chambre avant de s'enflammer dans ladite chambre
de combustion.
Dans la tête de pulvérisation 18, le circuit primaire 17 aboutit à
une buse d'éjection de carburant 27, axiale (on considère ici l'axe X de la
tête de pulvérisation elle-même) tandis que le circuit secondaire est
connecté à un distributeur 29 comportant une chambre de distribution 30,
annulaire communiquant avec une pluralité de trous d'éjection de
carburant 31, régulièrement répartis circonférentiellement à l'extrémité
aval du distributeur.
La tête de pulvérisation comporte un corps annulaire 39
rattaché au bras 21, dans lequel sont pratiqués des perçages appartenant
audits circuits primaire et secondaire et reliant les conduits 17a 19a à la
buse 27 et à la chambre de distribution 30, respectivement. Sur la figure
1, on distingue notamment un perçage 19b reliant le conduit 19a à la
chambre de distribution 30.
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La tête de pulvérisation 18 comporte aussi un déflecteur
giratoire d'air 33, annulaire, communément appelé vrille , installé
radialement extérieurement par rapport à ladite pluralité de trous
d'éjection. Ce déflecteur comporte des ailettes 35 définissant entre elles
5 des canaux d'éjection d'air 36 régulièrement espacés circonférentiellement
et dirigeant l'air vers les jets de carburant.
Le distributeur 29 est constitué de deux pièces annulaires
engagées l'une dans l'autre (et brasées entre elles) et définissant entre
elles ladite chambre de distribution 30. L'une des pièces est le corps 39
mentionné ci-dessus. L'autre pièce est une collerette annulaire 41 formant
une sorte de couvercle ; elle est engagée à l'extrémité aval du corps. Les
trous 31 sont percés dans cette collerette 41.
Le corps 39 et la collerette 41 comportent des portées
cylindriques de diamètres correspondants, assurant un bon centrage de
l'un par rapport à l'autre. Les deux pièces sont assemblées par brasage.
Comme le montre la figure 3, des rainures sont creusées sur la
face aval du corps 39. La rainure 45, globalement annulaire, définit
l'essentiel de la chambre de distribution 30, cette rainure étant refermée
par la collerette 41 pour constituer ladite chambre 30. Les autres rainures
47, 48 définissent une partie de conduit du circuit primaire 17 (elles sont
aussi refermées par la collerette 41) et seront décrites en détail plus loin.
Avantageusement, les rainures 45, 47, 48 peuvent être le
résultat d'un traitement d'électroérosion réalisé en une seule fois sur une
ébauche massive du corps annulaire 39. L'outil d'électroérosion a une
forme correspondant à la configuration des empreintes visibles sur la
figure 3 et qui définissent ces rainures 45, 47, 48.
Le déflecteur annulaire giratoire 33 est formé de deux pièces
annulaires 51, 53 assemblées par brasure. Il est visible en perspective sur
la figure 4. Les deux pièces forment une sorte de cage d'écureuil avec les
ailettes 35 d'épaisseur diminuant vers l'intérieur, comme représenté sur la
figure 2. La pièce annulaire amont 51 s'engage dans la pièce annulaire
aval 53 comportant les ailettes 35. La pièce 51, c'est-à-dire la paroi amont
du déflecteur, comporte une portée cylindrique intérieure 55 de diamètre
égal au diamètre extérieur d'une portée sphérique 57 de la collerette 41.
Cette portée sphérique 57 du distributeur s'engage dans la portée
cylindrique 55 du déflecteur. La pièce annulaire aval 53 est prolongée vers
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l'aval par un élément conique divergent 61, classiquement appelé bol,
percé de deux séries de trous 63, 65 régulièrement répartis
circonférentiellement. Les trous 63 sont pratiqués sur la partie conique de
l'élément 61. Les trous 65, plus petits, sont pratiqués sur une collerette
radiale extérieure 67. Ils débouchent en regard d'un déflecteur radial 69
(fig. 1).
De l'air provenant du compresseur s'engage dans le fond de
chambre et passe par les canaux 36 et les trous 63, 65, notamment.
Comme représenté, le déflecteur annulaire 33 composé des
deux pièces 51, 53 comporte deux parois intérieurement tronconiques
51a, 53a, coaxiales, respectivement amont et aval. La paroi 51a est
définie dans la pièce 51. La paroi 53a est définie dans la pièce 53. La
conicité de ces parois est dirigée vers l'aval, c'est-à-dire que leur diamètre
diminue d'amont vers l'aval. La chambre de distribution 30 comporte aussi
une paroi aval tronconique. C'est la paroi de la collerette 41 dans laquelle
sont pratiqués les trous 31. La face extérieure de cette paroi possède une
génératrice parallèle ou (comme c'est le cas ici) confondue avec la face
intérieure de la paroi amont 51a du déflecteur annulaire.
Avantageusement, l'angle de conicité de ces faces est compris
entre 45 et 80 .
Selon une autre caractéristique remarquable, l'axe de chaque
trou 31 est perpendiculaire à la génératrice de la surface 51a en ce point.
En se référant à la figure 2, on définit une médiane M pour
chaque canal d'éjection d'air 36, comme étant une ligne équidistante des
surfaces parallèles de sa partie radialement la plus interne, au moins.
Dans l'exemple décrit, en effet, la surface a de l'une des ailettes 35 est
plane tandis que la surface b de l'autre ailette, adjacente, comporte au
moins une courte portion interne c, parallèle à la surface a. La médiane M
est donc équidistante des surfaces a et c. La portion située entre a et c
constitue la zone calibrante du canal d'éjection d'air considéré. La surface
b pourrait être confondue avec la portion c.
Selon une caractéristique importante, pour chaque axe
d'éjection de carburant défini par un trou d'éjection 31, il existe un canal
d'éjection d'air 36 (entre deux ailettes 35) dont au moins la partie
radialement la plus interne (c'est-à-dire la zone calibrante) possède une
médiane M coupant sensiblement cet axe d'éjection de carburant.
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Dans l'exemple, le nombre de trous d'éjection de carburant est
égal au nombre de canaux d'éjection d'air. En variante, le nombre de
canaux d'éjection d'air peut être un multiple du nombre de trous d'éjection
de carburant.
Bien entendu, des moyens d'indexage (encoches et tenons)
sont prévus de manière à obtenir la configuration de la figure 2, à
l'assemblage. Le distributeur 29 fait partie du dispositif d'injection 11, le
déflecteur 33 est monté sur le fond de chambre 13 (le dispositif d'injection
11 et le fond de chambre 13 étant orientés par le carter 23). Le
distributeur 29 coulisse dans le déflecteur 33 au niveau des surfaces 55 et
57.
Cette configuration particulière qui situe les canaux d'air de la
vrille par rapport aux trous d'éjection de carburant, permet d'optimiser la
pulvérisation de ce carburant. L'homogénéité du mélange air-carburant
améliore la combustion et diminue la pollution.
De plus l'inclinaison des parois 51a, 53a a pour résultat de
moins perturber le flux d'air qui traverse le déflecteur giratoire. On réduit
aussi globalement l'encombrement axial du dispositif.
La tête de pulvérisation 18 comporte aussi une pièce centrale
75 (formant un déflecteur giratoire d'air) montée axialement à l'intérieur
du corps annulaire 39. Cette pièce est représentée en perspective sur la
figure 5. Elle comporte des ailettes 77 régulièrement espacées
circonférentiellement. Des gorges 78 sont ainsi définies entre ces ailettes.
La forme de celles-ci est telle que les gorges sont inclinées par rapport à
l'axe X. Lorsque la pièce centrale est engagée dans le corps annulaire 39
les gorges 78 sont refermées radialement extérieurement et définissent
des canaux d'éjection d'air d'un autre déflecteur giratoire ou vrille
agencés autour de la buse 27.
La pièce 75 comporte une partie aval conique à conicité dirigée
vers l'aval, qui s'engage dans une partie conique correspondante définie
dans le corps 39, à son extrémité amont. Les ailettes 77 sont définies dans
cette partie conique, ce qui réduit encore l'encombrement axial (selon X)
de la tête de pulvérisation 18. Par ailleurs, à l'amont, la pièce 75 comporte
une portée cylindrique 85 qui s'ajuste dans une portée cylindrique
correspondante définie à l'amont du corps 39, pour un bon centrage de la
pièce 75 dans ledit corps 39. Des moyens d'indexage assurent le
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positionnement dans le sens circonférentiel entre la pièce 75 et le corps
39.
Une cavité fermée 79 est définie au centre de la pièce 75. la
buse 27 est montée dans cette cavité. Un conduit 80 est ménagé dans
une ailette 77 et débouche dans ladite cavité 79. Il constitue la partie
terminale du circuit primaire. Ce conduit 80 communique avec un autre
perçage 81 du corps 39 qui débouche à une extrémité de la rainure 48
(figure 3). Un perçage 82 réalisé dans le corps 39 relie une extrémité de la
rainure 47 à l'extrémité du conduit 17a qui appartient au circuit primaire
défini ci-dessus.
Selon une caractéristique importante, ledit circuit primaire
comporte au moins une partie de conduit 86 jouxtant ladite chambre de
distribution 30, pour son refroidissement. En effet, cette partie de conduit
86 est constituée par les canaux définis par les rainures 47, 48
recouvertes par la collerette 41. Dans les exemples décrits, ladite partie de
conduit comporte un tronçon annulaire externe (correspondant à la
rainure 47) ménagé radialement extérieurement par rapport à ladite
chambre de distribution et un tronçon annulaire interne (correspondant à
la rainure 48) ménagé radialement intérieurement par rapport à ladite
chambre de distribution.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la configuration
obtenue par électroérosion définit un passage radial 84 traversant la
rainure 45 et établissant la communication entre les rainures 47 et 48.
Une paroi radiale 87 est aussi définie au voisinage de l'orifice du perçage
81, obligeant le carburant à s'écouler sur pratiquement 3600 dans le
tronçon annulaire interne. En conséquence, dans l'exemple de la figure 3,
les deux tronçons annulaires précités, constituant ladite partie de conduit
86 du circuit primaire, sont connectés en série. Le carburant du circuit
primaire pénètre dans ce labyrinthe par le perçage 82, circule
circulairement autour de la chambre de distribution 30 radialement
extérieurement puis radialement intérieurement par rapport à celle-ci
avant de rejoindre la cavité 79 via le perçage 81 puis le conduit 80.
Comme l'écoulement de carburant dans le circuit primaire est
permanent, un refroidissement de la chambre de distribution 30, est
assuré en toute circonstance, ce qui évite les phénomènes de cokéfaction
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du carburant dans ladite chambre de distribution, qui pourraient se
produire lorsque le débit du circuit secondaire est nul ou très fàible.
La figure 6 illustre une variante de la configuration de la
chambre de distribution 30 et de ladite partie de conduit 86a assurant son
refroidissement.
La chambre de distribution comporte deux parties symétriques
(définies par deux rainures 45a, 45b symétriques) alimentées séparément
par deux perçages 19b1, 19b2, tout deux connectés au conduit 19a.
Les deux tronçons annulaires interne et externe définis par les
rainures qui entourent les rainures 45a, 45b, comportent chacun deux
branches jouxtant respectivement les deux parties symétriques de la
chambre de distribution (rainures 45a, 45b).
Ainsi, le tronçon annulaire externe comporte deux telles
branches symétriques (rainures 47a, 47b) qui alimentent séparément les
deux perçages 82a, 82b communiquant avec la cavité 79 par les conduits
80a et 80b. Elles se rejoignent au niveau d'un passage radial 87 ménagé
entre les deux parties symétriques de la chambre de distribution et
rejoignant le tronçon annulaire interne qui comporte aussi deux branches
symétriques (rainures 48a, 48b) qui se rejoignent en un point
diamétralement opposé au passage 87, pour rejoindre le perçage 81
alimenté par le conduit 17a.
L'écoulement de carburant symétrique qui résulte de cette
configuration de ladite partie de conduit 86a jouxtant la chambre de
distribution assure un refroidissement particulièrement homogène de cette
dernière.
Dans la variante de la figure 7 où les éléments de structure
analogues portent les mêmes références numériques, on a modifié le
déflecteur giratoire d'air agencé autour de la buse 27. Celui-ci se compose
de deux guides annulaires assemblés axialement 90, 91 définissant deux
vrilles contra-rotatives. Autrement dit, on distingue un déflecteur
giratoire d'air interne 90a et un déflecteur giratoire d'air externe 91a
séparés par un guide annulaire 90 profilé formant un venturi. Un autre
guide annulaire 91 se prolonge vers l'aval jusqu'au bol pour éviter les
interactions avec la "vrille" associée à la chambre de distribution 30. Cet
agencement produit une augmentation des " cisaillements " dans les
écoulements d'air, qui participent à l'atomisation du carburant issu de la
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buse. Le fait que les deux vrilles définies autour de la buse sont contra-
rotatives favorisent la concentration de la pulvérisation du carburant au
voisinage de l'axe X. La présence d'un venturi permet d'accélérer puis de
ralentir les gouttelettes de carburant issues de la buse, ce qui favorise
5 grandement la pulvérisation de ce carburant. L'air issu de la vrille
extérieure est introduit dans le bol avec une composante dirigée vers l'axe
X. La zone de confluence des deux flux d'air issus des deux vrilles crée des
écoulements à fort niveau de turbulence améliorant la puivérisation du
carburant. Globalement, cette architecture assure une bonne stabilité et
10 de bonnes performances au ralenti, de la chambre de combustion.
