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WO 2011/045503 PCT/FR2010/052101
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DISPOSITIF D'INJECTION 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. Un 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 et alignés avec des orifices d'une face
frontale de la chambre annulaire pour éjecter le carburant 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
une formation de coke dans la couronne et au niveau des orifices
d'injection de carburant du circuit multipoint impactant la pulvérisation du
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carburant par le circuit multipoint et donc le fonctionnement de la chambre
de combustion.
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 de passage du carburant 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 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 couronne annulaire
montée dans une chambre annulaire formée à l'amont d'un second venturi
coaxial au premier venturi et entourant celui-ci, caractérisé en ce que qu'il
comprend des moyens d'isolation thermique de la face frontale de la
couronne annulaire comprenant une cavité annulaire formée autour des
orifices d'injection entre la face frontale de la couronne annulaire et une
paroi frontale de la chambre annulaire et destinée à être remplie en
fonctionnement d'air ou de carburant cokéfié.
L'intégration de moyens d'isolation thermique formés par une cavité
annulaire isolante intercalée entre la face frontale de la couronne et une
paroi aval la chambre annulaire permet de protéger les orifices d'injection
de la couronne pour éviter leur cokéfaction, et garantit ainsi un
fonctionnement optimal du circuit multipoint.
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La cavité annulaire peut être remplie d'air ou de carburant cokéfié
qui forme un bon isolant thermique de la couronne annulaire multipoint et
de ses orifices d'injection de carburant par rapport au rayonnement
thermique de la combustion du carburant.
Préférentiellement, le dispositif comprend également un circuit de
refroidissement de la couronne annulaire par circulation du carburant du
circuit pilote dans un canal annulaire interne formé entre des parois
cylindriques internes de la couronne et de la chambre annulaire et un canal
annulaire externe formé entre des parois cylindriques externes de la
couronne et de la chambre annulaire.
Avantageusement, l'un des canaux interne ou externe communique
avec la cavité annulaire précitée, l'autre des canaux interne ou externe
étant isolé de cette cavité, ce qui permet de remplir la cavité annulaire
frontale de carburant lequel va cokéfier sous l'effet du rayonnement
thermique de la combustion du carburant.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la périphérie
radialement interne ou externe de la face frontale de la couronne annulaire
comprend un rebord annulaire dont l'extrémité aval définit avec la paroi
frontale de la chambre un passage annulaire de communication entre la
cavité annulaire précitée et l'un des canaux interne ou externe du circuit de
refroidissement.
Ce passage annulaire permet une arrivée de carburant à l'intérieur
de la cavité frontale et sa cokéfaction sous l'effet du rayonnement
thermique pour l'isolation des orifices d'injection de la couronne.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la périphérie
radialement externe de la face frontale de la couronne est en appui radial
sur la paroi cylindrique externe de la chambre pour le centrage de la
couronne dans la chambre.
Selon une première forme de réalisation de l'invention, chaque
orifice d'injection de la couronne est formé dans un téton en saillie sur la
face frontale de la couronne, ces tétons étant inséré en butée dans une
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cavité d'un bossage correspondant formé sur la paroi frontale de la
chambre annulaire. Le positionnement en butée permet de garantir un
montage axial correct de la couronne dans la chambre annulaire.
Chaque cavité d'un bossage débouche à l'extérieur de la chambre
annulaire par un perçage aligné avec l'orifice d'injection du téton
correspondant, ce perçage ayant un diamètre supérieur à celui de l'orifice
d'injection, ce qui permet de déplacer la zone de cokéfaction des gouttes
de carburant hors des orifices d'injection des tétons et vers les perçages de
la chambre annulaire.
Selon une variante de réalisation de l'invention, les orifices
d'injection sont formés dans des pions cylindriques fixés dans des trous de
la face frontale de la couronne annulaire, ces pions dépassant en saillie sur
cette face frontale et formant des moyens de positionnement et de centrage
dans la chambre annulaire.
Cette configuration est particulièrement intéressante lorsque
l'encombrement à l'intérieur de la chambre est réduit et ne permet pas la
réalisation de tétons et de bossages comme dans la réalisation précédente.
L'orifice d'injection de chaque pion comprend une extrémité aval de
plus grand diamètre afin d'éviter une cokéfaction des orifices d'injection
lors
de l'arrêt du circuit multipoint.
Le positionnement axial de la couronne dans la chambre annulaire
est réalisé par un rebord annulaire formé à l'extrémité radialement interne
de la paroi aval de la couronne, ce rebord venant en butée sur la paroi
frontale de la chambre annulaire.
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 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 :
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- 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
5 dispositif d'injection de carburant multipoint selon l'invention ,
- la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale à plus grande
échelle de la couronne et de la chambre annulaire du dispositif
d'injection de la figure 2 selon un plan passant par un orifice d'injection
multipoint,
- la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale à plus grande
échelle de la couronne et de la chambre annulaire du dispositif
d'injection de la figure 2 selon un plan passant entre deux orifices
d'injection multipoint,
- la figure 5 est une vue schématique en perspective de la face frontale
de la couronne annulaire du dispositif d'injection de la figure 2 ;
- la figure 6 est une vue schématique en perspective de la chambre
annulaire du dispositif d'injection de la figure 2 ,
- la figure 7 est une vue schématique en coupe axiale d'une couronne et
d'une chambre annulaire d'un dispositif selon une variante de l'invention
et selon un plan passant par un orifice d'injection multipoint ;
- la figure 8 est une vue schématique en coupe axiale similaire à celle de
la figure 7 selon un plan passant entre deux orifices d'injection
multipoint ;
- la figure 9 est une vue en perspective éclatée du dispositif d'injection
des figures 7 et 8.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 représentant un dispositif
d'injection 10 selon la technique antérieure et 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 monté dans une ouverture d'une paroi de
fond d'une chambre de combustion annulaire d'une turbomachine qui est
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alimentée en air par un compresseur haute-pression amont et dont les gaz
de combustion alimentent une turbine montée en aval.
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 et second venturis, 12, 14.
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 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
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 de passage de carburant est défini
entre les parois cylindriques internes 24, 34 de la couronne annulaire 30 et
de la chambre annulaire 22. De manière similaire, un canal annulaire
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externe 46 de passage de carburant 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 d'amenée de
carburant 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 débouche
dans la cavité de collecte 64.
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.
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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 passant ensuite dans la cavité de collecte 64 pour alimenter
l'injecteur pilote 16 par l'intermédiaire du conduit 66.
Le circuit pilote fonctionne en permanence tandis que le circuit
multipoint fonctionne par intermittence lors de 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 28 de la couronne
annulaire 22 est soumise directement 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 68 des moyens d'isolation thermique de la paroi
frontale de la couronne annulaire multipoint.
Ces moyens d'isolation thermique comprennent une cavité annulaire
isolante 70 formée entre la face frontale 72 de la couronne annulaire 74 et
la paroi aval 76 de la chambre annulaire 78. Cette cavité 70 s'étend entre
les orifices d'injection 80 de manière à réaliser une isolation thermique au
plus près de ceux-ci. Cela permet de diminuer les risques de cokéfaction
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du carburant au niveau des orifices d'injection 80 de carburant afin de
garantir un fonctionnement optimal du circuit multipoint.
Dans une première forme de réalisation de l'invention représentée
aux figures 2 à 6, la face frontale 72 de la couronne annulaire 74 comprend
une pluralité de tétons 82 en saillie régulièrement répartis autour de la
couronne 74 et comprenant chacun un orifice d'injection 80. Ces tétons 82
sont insérés dans des cavités de bossages 84 de la face amont de la paroi
aval 76 de la chambre annulaire 78. Les tétons 82 sont engagés à
l'intérieur des cavités des bossages de manière à venir en butée sur la
paroi aval 76 de la chambre annulaire 78 pour assurer un positionnement
axial correct de la couronne 74 dans la chambre annulaire 78.
La paroi aval 76 de la chambre annulaire 78 comprend (figure 3) des
perçages 86 débouchant chacun en amont dans la cavité d'un bossage 84
et en aval vers l'extérieur du second venturi, chaque perçage 86 étant
aligné avec un orifice d'injection 80 de la couronne 74 et ayant un diamètre
supérieur à celui d'un orifice d'injection 80, afin de déplacer la zone de
cokéfaction des gouttes de carburant vers les perçages 86 de la chambre
annulaire 78.
Les tétons 82 ont une forme sensiblement cylindrique et sont brasés
à l'intérieur des cavités des bossages 84 afin d'assurer l'étanchéité entre le
circuit pilote et le circuit multipoint. Il est possible de vérifier la bonne
réalisation du brassage par contrôle visuel à travers les perçages 86 de la
paroi aval 76 de la chambre annulaire 78 du fait que ces perçages 86 ont
un diamètre supérieur à celui des orifices d'injection 80.
La périphérie radialement externe de la face frontale 72 de la
couronne 74 s'étend radialement à l'extérieur de sa paroi cylindrique
externe 90 et est en appui radial sur la paroi cylindrique externe 92 de la
chambre annulaire 78 afin de centrer la couronne 74 dans la chambre
annulaire 78. La périphérie radialement interne de la face frontale 72
comprend un rebord annulaire 94 s'étendant en aval de la face frontale 72
et dans le prolongement de la paroi cylindrique interne 96. L'extrémité aval
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de ce rebord annulaire 94 forme un passage annulaire de carburant entre
le canal annulaire interne 44 et la cavité annulaire frontale 70.
Le dispositif selon l'invention comprend également un circuit de
refroidissement formé d'un canal annulaire interne 44 délimité par les
5 parois cylindriques internes 96, 97 de la couronne 74 et de la chambre
annulaire 78 et d'un canal annulaire externe 46 délimité par les parois
cylindriques externes 90, 92 de la couronne 74 et de la chambre annulaire
78.
Dans cette réalisation, le canal annulaire externe 46 est isolé de la
10 cavité frontale par la périphérie radialement externe de la face frontale
72
de la couronne 74 laquelle peut être brasée ou non sur la paroi cylindrique
externe 92 de la chambre annulaire 78 de manière à réaliser ou non une
liaison étanche.
Dans une variante de réalisation de l'invention représentée aux
figures 7 à 9, le dispositif comprend une pluralité de pions 98 de centrage
de la couronne 100 dans la chambre annulaire 102, ces pions 98 étant
régulièrement répartis autour de la couronne 100 et montés axialement
dans des trous 101 de la paroi frontale 104 de la couronne 100 et dans des
trous 103 correspondants de la chambre annulaire 102. Les faces amont et
aval des pions sont sensiblement parallèles aux parois tronconiques 104,
106 de la couronne 100 et de la chambre annulaire 102. La dimension
axiale de chaque pion est telle que ses faces amont et aval sont alignées
avec la face amont de la paroi frontale 104 de la couronne 100 et avec la
face aval de la paroi aval 106 de la chambre annulaire 102,
respectivement.
Chaque pion 98 comprend un orifice d'injection 108 formé d'un
premier perçage 110 débouchant en amont à l'intérieur de la couronne
annulaire 100 et en aval dans un second perçage 112 de plus grand
diamètre lequel débouche vers l'extérieur du second venturi 14. Les
perçages 110, 112 sont alignés selon une droite perpendiculaire aux parois
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aval tronconiques 104, 106 de la couronne 100 et de la chambre annulaire
102.
Comme dans la réalisation précédemment décrite, le diamètre plus
grand des perçages 112 de la chambre annulaire par rapport aux diamètres
des orifices d'injection 110 permet de limiter la cokéfaction des orifices
d'injection 110.
Les périphéries radialement interne et externe de la paroi frontale
104 de la couronne 100 comprennent chacune un rebord annulaire interne
114 et externe 116, s'étendant en aval de la paroi frontale 104 et dans le
prolongement des parois cylindriques interne 118 et externe 120,
respectivement. Le rebord annulaire interne 114 est en contact avec la
paroi aval 106 de la chambre 102 afin de réaliser une butée de
positionnement axial de la couronne 100 dans la chambre annulaire 102
tandis que le rebord annulaire externe 116 définit avec la paroi frontale 106
de la chambre 102 un passage annulaire de communication entre la cavité
annulaire externe 46 du circuit pilote et la cavité frontale 70 d'isolation
thermique.
L'assemblage de la couronne 100, de la chambre 102 et des pions
98 est réalisé de la manière suivante : la couronne annulaire 100 est
montée en butée axiale à l'intérieur de la chambre annulaire 102 grâce au
rebord annulaire interne 114 de la couronne 100 et orientée angulairement
de manière à ce que les trous 101 de la couronne 100 soient alignés avec
les trous 103 de la chambre annulaire 102. Les pions de centrage 98 sont
ensuite montés dans les trous 101, 103 de la couronne 100 et de la
chambre 102 et on réalise une opération de brasage de pions 98 dans ces
trous, pour réaliser une étanchéité entre le circuit pilote et le circuit
multipoint. Les faces amont et aval des pions 98 sont reprises en usinage.
Enfin, les perçages 110 ,112 sont formés dans chacun des pions 98, cette
opération étant réalisée après les opérations de brasage et d'usinage pour
éviter une obturation partielle des perçages 110, 112 des pions 98.
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Cette configuration avec des pions de centrage s'avère
particulièrement intéressante dans les configurations d'injecteurs multipoint
où l'encombrement à l'intérieur de la chambre est réduit et ne permet pas
de réaliser des tétons et bossages.
Dans les réalisations décrites ci-dessus, le cavité annulaire frontale
est en communication avec l'un des canaux interne (figure 4) ou externe
(figure 8) du circuit de refroidissement afin d'alimenter la cavité annulaire
frontale 70 en carburant lors du fonctionnement de la turbomachine. Dans
ces configurations, le carburant présent à l'intérieur de la cavité frontale
va
cokéfier sous l'effet du rayonnement thermique, formant ainsi un isolant
thermique protégeant la couronne annulaire multipoint.
Dans d'autres réalisations non représentées aux dessins, il est
possible d'isoler la cavité frontale 70 des canaux annulaire interne 44 et
externe 46, celle-ci étant alors remplie d'air formant un isolant thermique de
la face frontale 72 de la couronne annulaire 74, 100.
