Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
1
DISPOSITIF D'INJECTION ET CHAMBRE DE COMBUSTION DE
TURBOMACHINE EQUIPEE D'UN TEL DISPOSITIF D'INJECTION
[0001] L'invention concerne un dispositif d'injection apte à fournir un
mélange
d'air et de carburant approprié qui sera ensuite brûlé dans la chambre de
combustion d'une turbomachine. L'invention concerne également une
chambre de combustion équipée d'un tel dispositif d'injection.
[0002] Dans chaque chambre de combustion de turbomachine, au moins un
injecteur fournit du carburant qui est mélangé à de l'air dans un dispositif
d'injection fixée sur la paroi de fond de la chambre. L'air provient du
dernier
étage d'un compresseur de la turbomachine et est introduit dans le dispositif
d'injection de manière annulaire. Le carburant est introduit en amont par une
buse, formée à l'extrémité d'une tubulure, et ajustée dans un guide de
centrage équipant le dispositif d'injection. L'air et le carburant sont
mélangés
puis brûlés dans la chambre pour générer des gaz hautement.
[0003]Comme illustré par la figure la, l'introduction de l'air est réalisée
classiquement dans le dispositif d'injection 1 à travers un tourbillonneur 4
formé de deux pièces annulaires, 12 et 14, présentant chacune des alvéoles
15 d'aspiration de l'air réparties circonférentiellement. Une bague de retenue
ou couvercle 16 permet par soudage à la pièce amont 12 - selon l'écoulement
du carburant - de coupler une tubulure 17 d'injection de carburant aux pièces
alvéolaires.
[0004] Les pièces alvéolaires 12 et 14 se succèdent axialement et sont
soudés l'un à l'autre. Les alvéoles forment une multitude de fentes 15 qui
s'étendent radialement et sont disposées sur la circonférence de chaque
pièce. Des soudures 18 et 19 de solidarisation entre les pièces forment des
parois radiales pour ces fentes 15. Lesdites fentes sont orientées d'une pièce
à l'autre selon deux directions faisant des angles opposés par rapport à tout
rayon centré sur l'axe. Les tourbillons d'air de sens opposé forment dans des
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
2
venturis des nappes d'air qui se chevauchent, et dans lesquelles les
particules de carburant viennent se mélanger de manière homogène, ce qui
favorise le mélange air - carburant.
[0005] Un tel dispositif d'injection comporte donc trois soudures annulaires
les soudures, 18 et 19, solidarisant chaque pièce annulaire, et une soudure
20 entre la bague de retenue 16 et la première pièce 12. Les soudures
proches des fentes 15 nécessitent de développer des moyens spécifiques
coûteux pour limiter la déformation des fentes lors de la fabrication.
[0006] En effet, comme le montre la figure lb, les soudures 18 à 20 du
dispositif d'injection 1 sont difficiles à réaliser et ne présentent pas un
caractère reproductible. Notamment les soudures 18 et 19 déforment les
fentes, ce qui nuit à l'écoulement de l'air.
[0007] L'invention vise à remédier à ces problèmes, en particulier elle vise à
réaliser un dispositif d'injection de coût sensiblement moins élevé, plus
simple
à fabriquer et plus robuste.
[0008] Pour ce faire, l'invention propose de configurer les pièces selon un
emboîtement particulier permettant de s'affranchir du soudage entre les
pièces alvéolaires.
[0009] Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif
d'injection d'un mélange carburant - air comportant, centrés sur un même
axe, un tourbillonneur ayant au moins deux pièces annulaires d'aspiration
d'air, externe et interne, un guide de centrage et une bague de retenue, et
dans lequel les pièces annulaires présentent des conduits alvéolaires
débouchant dans des venturis coaxiaux externe et interne, formés par des
parois axiales internes. Les pièces sont montées coaxialement, la pièce
interne étant apte à être auto-centrée dans la pièce externe par mise en
contact de parois axiales et radiales. La bague de retenue, la pièce externe
et
à la pièce interne sont soudées entre elles dans un même plan radial le long
de faces radiales en regard, la bague de retenue coiffant le guide de centrage
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
3
pour le maintenir dans un logement radial. Avantageusement, le cordon de
soudure immobilise alors la pièce interne en rotation.
[0010]Selon des modes de réalisation particuliers du dispositif d'injection
- les conduits d'air de la pièce externe sont régulièrement répartis sur
deux couronnes orthogonalement à l'axe, les conduits d'une couronne
pouvant être orientés selon un angle de sens opposé à ou de même sens que
celui des conduits de l'autre couronne par rapport à un rayon issu de l'axe;
- les angles de sens opposés sont compris dans les fourchettes +/- 20 à
40 ;
- les conduits de la pièce interne sont disposés dans le prolongement
des conduits d'une couronne de la pièce externe et débouchent dans le
venturi interne, les conduits de l'autre couronne de la pièce externe
débouchant dans un espace formé entre les venturis interne et externe;
- les conduits de la pièce interne sont aptes à être réalisés dans le
prolongement des conduits d'une couronne de la pièce externe après
centrage de la pièce interne dans la pièce externe et soudage avec la bague
de retenue;
- les conduits sont de section sensiblement de même dimension dans au
moins deux directions perpendiculaires, en particulier les conduits sont
cylindriques de section circulaire ou carrée ;
- le nombre de conduits des couronnes est identiques, les conduits
d'une couronne étant décalés d'un demi pas en périphérie de la pièce
externe ;
- la bague de retenue présente un chanfrein radial apte à faciliter le
positionnement de la pièce interne sur la pièce externe ;
- le guide de centrage qui reçoit la buse d'injection est adaptable en
position dans un logement radial formé entre la paroi radiale de la bague de
retenue et la paroi radiale de la pièce interne par un dimensionnement adapté
de la bague de retenue et/ou d'une collerette formée sur le guide de centrage.
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
4
[0011] L'invention se rapport également à une chambre de combustion
équipée d'un dispositif d'injection telle que définie ci-dessus. La chambre
comporte une paroi annulaire et une paroi de fond, des moyens de fixation du
dispositif d'injection étant disposés dans la paroi de fond de chambre qui
présente une ouverture de passage de la buse d'injection de carburant
couplée au guide de centrage.
[0012] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaîtront à la lecture de l'exemple détaillé de réalisation qui suit, en
référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
- les figures la et 1 b, des vues en perspective d'un exemple de
dispositif d'injection selon l'art antérieur, lors de ou après fabrication
(déjà
commentées);
- la figure 2, une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un
dispositif d'injection selon la présente invention ,
- la figure 3, une vue en coupe longitudinale de l'exemple de
réalisation précédent, et
- les figures 4a et 4b, des vues en coupe selon les plans YY et ZZ de
la vue selon la figure 3.
Les termes intérieur , interne ou équivalents et extérieur ,
externe ou équivalents se rapportent, respectivement, à la localisation de
parties d'un élément ou d'éléments équivalents situés relativement au plus
proche et au plus éloigné de l'axe de symétrie X'X. Les termes amont et
aval ou équivalents désignent des parties de élément en référence à
l'écoulement du carburant dans le dispositif d'injection selon l'axe X'X.
[0013] En référence à la vue en perspective de la figure 2 d'un exemple de
dispositif d'injection selon l'invention, il apparaît une seule soudure
annulaire
entre une première pièce alvéolaire 22 du tourbillonneur 40 - dite pièce
externe - et la bague de retenue 21 du dispositif d'injection 2. La deuxième
pièce alvéolaire 24 du tourbillonneur 40 - dite pièce interne - est coaxiale à
la
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
première et forme, du côté orienté vers la chambre de combustion 100, un
venturi interne 26, situé dans l'ouverture 29 du venturi externe 28 formé par
la
paroi interne de la première pièce 22. Les alvéoles de la pièce 22 sont des
conduits cylindriques 25a et 25a' de section circulaire, régulièrement
répartis
5 selon deux couronnes annulaires Cl et C2, et orientés respectivement selon
deux directions formant deux angles de sens opposé par rapport à tout rayon
perpendiculaire à l'axe de symétrie X'X du dispositif d'injection 2. Le nombre
de conduits de chaque couronne est identique et les conduits sont décalés
d'un demi pas sur la périphérie externe de la pièce 22.
[0014] La vue en coupe longitudinale de la figure 3 illustre le montage entre
les différents éléments composant ce dispositif d'injection 2. La paroi
longitudinale 220 de la pièce externe 22 possède une face externe 22e,
parallèle à l'axe X'X, et une face interne 22i parallèle - en amont - à l'axe
X'X
et qui se resserre - en aval - vers l'ouverture 29, en direction de la chambre
de combustion 100. Cette partie qui se resserre forme le venturi externe 28.
[0015] Les faces interne 22i et externe 22e de la pièce externe 22 sont reliés
en amont par une face radiale 22p perpendiculaire à l'axe X'X. La deuxième
pièce 24 ou pièce interne, coaxiale et concentrique à la pièce externe 22,
possède une paroi dite radiale 241, perpendiculaire à l'axe X'X, et une paroi
dite longitudinale 240 s'étendant selon cet axe de symétrie. La paroi radiale
241 possède une face avale 24a et la paroi longitudinale 240 une face
externe 24e disposées, respectivement, contre les faces 22p et 22i de la
pièce 22. Les conduits 25a de la première couronne de la pièce 22 sont
prolongés par des conduits 25b formés dans le prolongement des premiers
conduits 25a. Les conduits sont réalisés après assemblage, une fois les deux
pièces 22 et 24 du tourbillonneur emboîtées l'une dans l'autre par leurs faces
en regard et soudées à la bague de retenue 21, ce qui assure un parfait
alignement.
[0016] La face externe 24e de la paroi 240 de la pièce interne 24 ne reste
contre la face interne 22i de la pièce externe que dans leur partie amont.
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
6
Dans la partie avale, la paroi 240 ne reste pas parallèle à l'axe X'X mais se
resserre vers cet axe pour former, en sa face interne 24i, le venturi interne
26
et former, à partir de sa face externe 24e, un espace inter - venturi E entre
les
deux venturis 26 et 28. Dans cet espace E, débouchent les conduits 25a' de
la deuxième couronne de la pièce 22.
[0017] En amont, la paroi radiale 241 est coiffée par la bague de retenue 21
dont la face annulaire externe 21 C vient en prolongement de la face annulaire
externe 22e de la pièce externe 22, parallèlement à l'axe de symétrie X'X. La
bague 21 comporte une paroi annulaire 210 et une paroi radiale 211. Un
logement radial L est défini entre les parois radiales 211 et 241 pour la
collerette 27c du guide de centrage 27. Le logement radial L est
surdimensionné par rapport à la collerette 27c par un dimensionnement
appropriée des parois radiale 211 et annulaire 210 de la bague, si bien que le
guide 27 s'adapte en position par déplacement dans le plan du logement L.
Alternativement, un dimensionnement approprié de la collerette 27c du guide
de centrage 27 permet également d'offrir un double degré de liberté à ce
guide.
[0018] Par ailleurs, la paroi annulaire 210 présente avantageusement un
chanfrein 21 C en face interne afin de positionner la pièce 24 sur la pièce
22.
[0019]Après assemblage, la pièce 22 est soudée à la bague 21 et à la pièce
interne 24 par le cordon 30 déposé dans un même plan radial P entre la face
radiale 22p de la pièce externe 22, d'une part, et les faces radiales 21 a de
la
bague 21 et 24a de la pièce interne 24 situées en regard, d'autre part. Au
moins l'une des parois à souder est avantageusement biseautée pour réaliser
ce soudage. La pièce interne 24 est alors auto-centrée sur deux parois
perpendiculaires par emboîtement dans la première pièce 22, et le cordon de
soudure 30 l'immobilise en rotation.
[0020] Les coupes du dispositif d'injection 2 selon les figures 4a et 4b
illustrent l'orientation de sens opposé des deux séries de conduits 25a et 25b
d'une part et 25a' d'autre part,. Sur ces coupes, apparaissent également les
CA 02786541 2012-07-05
WO 2011/086336 PCT/FR2011/050085
7
pièces externe et interne, 22 et 24, le venturi interne 26 ainsi que l'espace
inter - venturis E (figure 4b). Les angles A et A' de sens opposé que forment
ces conduits par rapport à des rayons R et R' passant par l'axe de symétrie
X'X et par le centre des conduits 25a et 25a' en périphérie du dispositif
d'injection 2, sont compris entre +/- 20 à 400.
[0021] Le dispositif d'injection est ensuite fixé dans une chambre qui
comporte
une paroi annulaire et une paroi de fond. Les moyens de fixation du dispositif
d'injection sont disposés dans la paroi de fond de la chambre qui présente
une ouverture de passage pour la buse d'injection de carburant à coupler au
guide de centrage.
[0022] En fonctionnement, le carburant est injecté dans chaque dispositif
d'injection par une buse en prise sur le guide de centrage 27 (figure 3) et
l'air
par les conduits annulaires. Par exemple, à la puissance maximale de
décollage, l'air pénètre à la vitesse de 25g/s, soit environ 245 m/s, et le
carburant à 5g/s, soit environ 50 m/s. Les tourbillons d'air forment dans le
venturi interne 26 et dans l'espace inter - venturi E des nappes d'air de sens
opposé qui vont se chevaucher à l'entrée de la chambre de combustion. Dans
chaque nappe, les particules de carburant injectées viennent se mixer de
manière fluide et uniforme, ce qui réalise un mélange air - carburant
performant.
[0023] L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et
représenté. Il est par exemple possible former plus de deux couronnes de
conduits, par exemple quatre couronnes dont deux débouchent sur l'espace
inter-venturi et deux autres dans le venturi interne. Par ailleurs, l'effet de
giration produit par les venturis est équilibré dans les différentes couronnes
de conduits en adaptant les angles d'inclinaison des conduits.
