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CA 02776843 2012-04-04
WO 2011/045486 PCT/FR2010/000682
INJECTEUR MULTI-POINT POUR UNE CHAMBRE DE COMBUSTION
DE TURBOMACHINE
La présente invention concerne un dispositif d'injection de carburant
multipoint pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine
telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.
De manière connue, une turbomachine comprend une chambre
annulaire de combustion agencée en sortie d'un compresseur haute
pression et pourvue d'une pluralité de dispositifs d'injection de carburant
régulièrement répartis circonférentiellement à l'entrée de la chambre de
combustion. Chaque dispositif d'injection multipoint comprend un premier
venturi à l'intérieur duquel est monté un injecteur pilote centré sur l'axe du
premier venturi et alimenté en permanence par un circuit pilote et un
second venturi coaxial au premier venturi et entourant celui-ci. Ce second
venturi comprend une chambre annulaire à son extrémité amont dans
laquelle est montée une couronne annulaire alimentée en carburant par un
circuit multipoint. La couronne comporte des orifices d'injection de
carburant formés dans une face frontale orientée vers l'aval et vers
l'extérieur du second venturi.
Le circuit pilote fournit en permanence un débit de carburant
optimisé pour les bas régimes et le circuit multipoint fournit un débit de
carburant intermittent optimisé pour les hauts régimes.
Toutefois, l'utilisation intermittente du circuit multipoint a pour
inconvénient majeur d'induire, sous l'effet des températures élevées dues
au rayonnement de la flamme dans la chambre de combustion, un
gommage ou une cokéfaction du carburant stagnant à l'intérieur du circuit
multipoint lorsque celui-ci est coupé. Ces phénomènes peuvent entraîner
un formation de coke dans la couronne et au niveau des orifices d'injection
de carburant du circuit multipoint impactant la pulvérisation du carburant
par le circuit multipoint et donc le fonctionnement de la chambre de
combustion.
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Pour réduire ce risque de cokéfaction, il est connu du document
EP 2026002 de la Demanderesse d'utiliser le circuit pilote de carburant
pour refroidir le circuit multipoint et y réduire la formation de coke, grâce
à
deux canaux annulaires formés dans la chambre annulaire radialement à
l'intérieur et à l'extérieur de la couronne annulaire, ces deux canaux étant
reliés en sortie à l'injecteur pilote.
Une telle configuration ne permet pas toutefois de réduire de
manière suffisante les risques de cokéfaction du carburant circulant au
niveau de la face frontale de la chambre annulaire qui reste fortement
exposée au rayonnement thermique généré par la combustion du carburant,
en aval.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
A cet effet, elle propose un dispositif d'injection de carburant pour
une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comprenant un
circuit pilote alimentant en permanence un injecteur débouchant dans un
premier venturi et un circuit multipoint alimentant par intermittence des
orifices d'injection formés dans une face frontale d'une chambre annulaire
amont d'un second venturi coaxial au premier venturi et entourant celui-ci,
une couronne annulaire étant montée dans la chambre annulaire pour y
délimiter un circuit d'alimentation en carburant des orifices d'injection et
un
circuit de refroidissement par passage du carburant alimentant l'injecteur
du circuit pilote, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement s'étend
sur la face frontale de la chambre au voisinage immédiat des orifices
d'injection.
L'intégration d'une partie du circuit de refroidissement au niveau de
la face frontale de la chambre annulaire qui est la plus exposée au
rayonnement thermique, permet de refroidir en permanence la partie de
cette face frontale qui est au voisinage immédiat des orifices d'injection
pour éviter leur cokéfaction.
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Avantageusement, une partie du circuit de refroidissement est
formée par une rainure d'une face aval de la couronne annulaire, cette face
aval étant appliquée sur la face frontale de la chambre annulaire.
On peut ainsi réaliser simplement et à moindre coût le circuit de
refroidissement de la face frontale de la chambre annulaire.
Le circuit de refroidissement comporte également un canal annulaire
formé entre les parois cylindriques internes de la couronne et de la
chambre annulaire, afin de refroidir la face cylindrique interne de la
chambre annulaire du second venturi à l'intérieur duquel circule un flux d'air
chaud en provenance du compresseur haute pression.
Le circuit de refroidissement comporte encore un canal annulaire
formé entre les parois cylindriques externes de la couronne annulaire et de
la chambre annulaire, ce canal pouvant servir au refroidissement de la
paroi externe de la chambre annulaire par circulation du carburant du circuit
pilote ou bien étant destiné à être isolé du circuit pilote et à être rempli
en
fonctionnement d'air ou de carburant cokéfié servant d'isolant thermique.
En fonctionnement, la périphérie externe de la chambre annulaire du
second venturi est soumise à des températures plus basses que celles de
la périphérie interne de la chambre annulaire et il n'est donc pas nécessaire
de refroidir en permanence le contour externe de la chambre annulaire et
l'utilisation d'un isolant thermique s'avère suffisante.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le circuit de
refroidissement de la face frontale de la chambre est ondulé et s'étend en
alternance radialement à l'intérieur et à l'extérieur des orifices
d'injection,
ce qui permet de positionner le circuit de refroidissement au plus près des
orifices d'injection.
Avantageusement, le circuit de refroidissement de la face frontale de
la chambre comprend deux branches symétriques semi-circulaires
s'étendant chacune entre des moyens d'entrée et des moyens de sortie du
carburant, ces derniers étant reliés à l'injecteur du circuit pilote.
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L'injection de carburant par les orifices de la chambre annulaire est
réalisée par l'intermédiaire d'orifices de la couronne qui débouchent dans
les orifices de la chambre annulaire.
Avantageusement, les orifices de la paroi aval de la couronne ont un
diamètre inférieur à celui des orifices de la face frontale de la chambre
annulaire, ce qui évite que des gouttes de carburant sortant des orifices de
-la couronne n'obturent par cokéfaction les orifices de la paroi de la
chambre, lors de l'arrêt du circuit multipoint.
L'invention concerne également une chambre annulaire de
combustion de turbomachine comprenant au moins un dispositif d'injection
de carburant du type décrit ci-dessus.
L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant au moins un dispositif
d'injection de carburant du type décrit ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et
caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description
suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins
annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un
dispositif d'injection de carburant multipoint selon la technique
antérieure
- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un
dispositif d'injection de carburant multipoint selon l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective du dispositif
d'injection de la figure 2 depuis l'aval,
- la figure 4 est une vue schématique en perspective du dispositif
d'injection de la figure 2 depuis l'aval et selon un autre angle de vue.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 représentant un dispositif
d'injection 10 comportant deux systèmes d'injection de carburant dont l'un
est un système pilote fonctionnant en permanence et l'autre un système
multipoint fonctionnant par intermittence. Ce dispositif est destiné à être
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monté dans une ouverture d'une paroi de fond d'une chambre de
combustion annulaire d'une turbomachine qui est alimentée en air par un
compresseur haute-pression amont et dont les gaz de combustion
alimentent une turbine montée en aval.
5 Ce dispositif comprend un premier venturi 12 et un second venturi 14
coaxiaux, le premier venturi 12 étant monté à l'intérieur du second venturi
14. Un injecteur pilote 16 est monté à l'intérieur d'un premier étage de
vrilles 18 inséré axialement à l'intérieur du premier venturi *12. Un second
étage de vrilles 20 est formé à l'extrémité amont et radialement à l'extérieur
du premier venturi 12 et sépare les premier 12 et second 14 venturis.
Le second venturi 14 comprend une chambre annulaire 22 formée
par deux parois cylindriques radialement interne 24 et externe 26 reliées
l'une à l'autre par une paroi aval tronconique 28 convergeant vers l'aval.
Une couronne annulaire 30 comprenant également deux parois
cylindriques radialement interne 32 et externe 34 reliée l'une à l'autre par
une paroi aval tronconique 36 convergeant vers l'aval est montée à
l'intérieur de la chambre annulaire 22 de manière à ce que les parois aval
28, 36 de la chambre annulaire 22 et de la couronne annulaire 30 soient en
contact. La couronne annulaire 30 est centrée à l'intérieure de la chambre
annulaire 22 grâce à un épaulement annulaire 38 formé à l'intérieur de la
chambre annulaire 30 à la jonction de la paroi aval tronconique 28 et de la
paroi cylindrique interne 24 de la chambre annulaire 22.
La couronne annulaire 30 et la chambre annulaire 22 comprennent
chacune une ouverture annulaire à leur extrémité amont. Les parois
cylindriques 24, 26 de la chambre annulaire 22 s'étendent en saillie vers
l'amont par rapport aux extrémités amont des parois cylindriques 32, 34 de
la couronne annulaire 30.
La paroi aval 36 de la couronne annulaire 30 comprend des orifices
d'injection 40 régulièrement répartis circonférentiellement et débouchant
dans des orifices 42 correspondants de la paroi aval 28 de la chambre
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annulaire 22. Les orifices 40, 42 de la chambre annulaire 22 et de la
couronne annulaire 30 ont des diamètres identiques.
Un canal annulaire interne 44 est défini entre les parois cylindriques
internes 24, 32 de la couronne annulaire 30 et de la chambre annulaire 22.
De manière similaire, un canal annulaire externe 46 est défini entre les
parois cylindriques externes 26, 34 de la couronne annulaire 30 et de la
chambre annulaire 22.
Le dispositif d'injection comprend un corps 48 dont la partie aval est
annulaire et comprend un conduit cylindrique 50 engagé axialement à
étanchéité entre les parois cylindriques interne 24 et externe 26 de la
chambre annulaire 22 et débouchant à étanchéité entre les parois
cylindriques interne 32 et externe 34 de la couronne annulaire 30. Le
conduit 50 comporte un épaulement radial 54 venant en butée sur les
extrémités amont des parois cylindriques interne 32 et externe 34 de la
couronne annulaire 30.
Ce montage à étanchéité du corps 48 permet de garantir que les
canaux annulaires interne 44 et externe 46 sont étanches par rapport à
l'espace annulaire formé à l'intérieur de la couronne annulaire 30.
Un bras 56 d'alimentation en carburant est relié au corps 48 et
comprend deux conduits coaxiaux dont l'un 58 central alimente un canal 60
du corps 48 débouchant en aval à l'intérieur de la couronne annulaire 30 et
l'autre 62 externe formé autour du conduit central 58 alimente en sortie des
canaux distincts (non représentés) débouchant dans les canaux annulaires
interne 44 et externe 46, respectivement.
Le corps 48 comprend une cavité 64 de collecte du carburant formée
diamétralement à l'opposé du bras 56 d'alimentation en carburant et au
niveau des extrémités amont des parois cylindriques 32, 34 de la couronne
annulaire 30 de manière à ce que les canaux annulaires interne 44 et
externe 46 communiquent avec la cavité de collecte 64. Un conduit 66 est
relié à une extrémité à l'injecteur pilote 16 et à l'autre extrémité au corps
48
et débouche dans la cavité de collecte 64.
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En fonctionnement, le conduit central 58 du bras 56 alimente en
carburant le canal 60 du corps 48, le carburant circulant ensuite dans la
couronne annulaire 30 et étant injecté dans la chambre de combustion en
aval par les orifices 40, 42 de la couronne 30 et de la chambre 22.
Le conduit externe 62 du bras 56 alimente les canaux du corps 48
débouchant dans les canaux annulaires interne 44 et externe 46, le
carburant s'écoulant ensuite dans la cavité de collecte 64 pour alimenter
l'injecteur pilote 16 par l'intermédiaire du conduit 66.
Ce circuit forme le circuit pilote et fonctionne en permanence tandis
que le circuit multipoint fonctionne par intermittence lors des phases de vol
spécifiques telles que le décollage nécessitant un surcroît de puissance.
Lors du fonctionnement de la turbomachine, l'air chaud (à environ
600 C) en provenance du compresseur haute pression s'écoule à l'intérieur
du premier venturi 12, dans la première vrille radiale 18, et de l'air
s'écoule
également à l'intérieur de la seconde vrille radiale 20, entre les premier 12
et second 14 venturis.
Les canaux annulaires interne 44 et externe 46 dans lesquels circule
en permanence du carburant d'alimentation de l'injecteur pilote, forment un
circuit de refroidissement radialement à l'extérieur et à l'intérieur de la
couronne annulaire 30, ce qui évite une cokéfaction du carburant dans la
couronne 30 due au rayonnement thermique de la combustion, et ceci lors
des phases de vol où le circuit multi-point n'est pas en fonctionnement.
Comme indiqué précédemment, la face aval frontale 28 de la
chambre annulaire 22 est soumise également au rayonnement thermique
de la combustion, ce qui peut conduire à une cokéfaction du carburant
dans les orifices d'injection 40, 42 de la couronne 30 et de la chambre
annulaire 22 lors des phases de vol où le circuit multipoint n'est pas
utilisé.
L'invention apporte une solution à ce problème en intégrant dans le
dispositif d'injection 67 un circuit de refroidissement de la paroi frontale
tronconique 68 de la chambre annulaire 70, au voisinage immédiat des
orifices d'injection comme cela est représenté sur les figures 2 à 4.
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Ce circuit de refroidissement comporte une rainure 72 formée sur la
face aval de la paroi tronconique 74 de la couronne annulaire 76, qui est
appliquée sur la face amont de la paroi tronconique 68 de la chambre
annulaire 70.
La rainure 72 est ondulée et s'étend en alternance radialement à
l'intérieur et à l'intérieur des orifices d'injection 78 de la couronne
annulaire
76, ce qui permet de refroidir au mieux les orifices 78 de la couronne 76 et
les orifices 80 de la chambre annulaire 70. Dans cette réalisation, la rainure
72 comporte deux branches semi-circulaires alimentées en carburant par
deux canaux 82, 84 du corps 48 et reliées en sortie à la cavité de collecte
64 diamétralement opposée. Les deux branches sont symétriques par
rapport à un plan passant par l'axe de l'injecteur pilote 16 et à mi-distance
entre les deux canaux 82, 84 d'alimentation de la rainure 72.
Le circuit de refroidissement selon l'invention comprend également
une rainure annulaire interne 86 formée dans l'épaisseur de la paroi
cylindrique interne 88 de la couronne 76, cette rainure 86 délimitant un
canal annulaire interne avec la paroi cylindrique interne 90 de la chambre
annulaire 70. Le canal annulaire interne est alimenté en carburant par deux
canaux 92, 94 du corps 48 et est relié en sortie à la cavité de collecte 64,
pour refroidir les parois cylindriques internes 88, 90 de la couronne
annulaire 76 et de la chambre annulaire 70.
Deux rainures 96, 98 semi-circulaires sont formées dans l'épaisseur
de la paroi cylindrique externe 100 de la couronne annulaire 76 et
délimitent avec la paroi cylindrique externe 102 de la chambre annulaire 70
deux canaux semi-circulaires dont les extrémités circonférentielles sont
obturées par des nervures axiales 104 de la couronne annulaire 76. De
cette manière, les deux canaux semi-circulaires externes sont isolés de la
chambre de collecte alimentant l'injecteur pilote.
Lors du montage de la couronne 76 à l'intérieur de la chambre
annulaire 70, les deux canaux 96, 98 semi-circulaires sont remplis d'air. En
fonctionnement, ces canaux peuvent être remplis d'air si l'étanchéité est
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réalisée par rapport au circuit pilote et en particulier par rapport au
circuit
frontal ou bien ils peuvent se remplir de carburant dans le cas contraire,
lequel carburant se cokéfie sous l'effet des hautes températures. Dans les
deux cas, l'air ou le carburant cokéfié forme un isolant thermique, ce qui
s'avère suffisant pour éviter une cokéfaction du carburant à l'intérieur de la
couronne puisque les périphéries externes de la couronne annulaire 76 et
de la chambre annulaire 70 sont soumises à des températures moindres
que celles auxquelles sont soumises les périphéries internes de ces
mêmes pièces.
Les orifices 78 de la paroi tronconique aval 74 de la couronne
annulaire 76 ont un diamètre inférieur à celui des orifices de la face
frontale
tronconique 68 de la chambre annulaire 70. Ceci évite, lorsque le circuit
multipoint est arrêté, que des gouttes de carburant restées au niveau des
orifices 78 de la couronne annulaire 76 n'obturent par cokéfaction les
orifices 80 de la chambre annulaire 70. Dans une réalisation particulière, le
diamètre des orifices 78 de la couronne annulaire 76 est de l'ordre de
0,5 mm et celui des orifices 80 de la chambre annulaire 70 est de l'ordre de
1 mm.
Afin d'isoler le circuit frontal de refroidissement du circuit multipoint,
la face aval de la paroi tronconique 74 de la couronne 72 est fixée à
étanchéité sur la paroi tronconique 68 de la chambre annulaire 70, par
exemple par brasage. Ainsi, la jonction entre un orifice 78 de la couronne
76 et un orifice 80 de la chambre annulaire 70 est étanche. Au lieu de
réaliser un brasage, il est possible de réaliser d'une seule pièce, par
exemple par frittage laser, la couronne annulaire 76 et le second venturi 14
comportant la chambre annulaire 70.
L'invention n'est pas limitée au circuit de refroidissement ondulé tel
que décrit précédemment. Il est ainsi possible de former deux rainures
dans la face aval de la paroi aval 74 de la couronne 76, l'une des rainures
étant est située radialement à l'intérieur des orifices 78 de la couronne 76
et l'autre étant située radialement à l'extérieur de ces mêmes orifices 78.
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Toutefois, ce circuit ne permettrait pas de refroidir au mieux les orifices
78,
80 de la couronne annulaire 76 et de la chambre annulaire 70 et en
particulier les espaces circonférentiels inter-orifices. On pourrait également
envisager de relier ces deux rainures interne et externe de la face frontale
5 par des canaux radiaux inter-orifices. Cependant, cette solution induirait
la
formation d'un écoulement préférentiel dans certains de ces canaux
conduisant à un refroidissement non uniforme de la couronne annulaire 76
et de la chambre annulaire 70.
Dans une autre variante, les canaux externes 96, 98 sont reliés à la
10 cavité 64 de collecte alimentant l'injecteur pilote 16 et participent au
refroidissement de la chambre annulaire 70 par circulation du carburant de
l'injecteur pilote 16.
