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CA 02825864 2013-07-26
WO 2012/104525 PCT/FR2012/050177
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INJECTEUR DE CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBINE A GAZ
A DOUBLE CIRCUIT DE CARBURANT ET CHAMBRE DE COMBUSTION
ÉQUIPÉE D'AU MOINS UN TEL INJECTEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
[0001]L'invention concerne un injecteur de chambre de combustion de
turbine à gaz, en particulier de turbomoteur, comportant un double circuit
d'injection de carburant. L'invention concerne également une chambre de
combustion équipée d'au moins un tel injecteur à double circuit et
d'injecteurs
à simple circuit.
[0002]Un mélange d'air comprimé et de carburant approprié est en général
injecté dans la chambre de combustion à l'aide d'une pluralité d'injecteurs.
Les injecteurs sont montés dans la paroi d'un tube à flamme agencé, de
préférence, en fond de chambre. Ceci permet de répartir de manière
homogène les mélanges provenant des différents injecteurs.
[0003]Dans chaque injecteur, un gicleur introduit du carburant à l'extrémité
d'une tubulure. Le carburant est ajusté dans un guide de centrage. L'air
provient du dernier étage d'un compresseur de la machine à gaz et est
introduit dans l'injecteur de manière annulaire. L'air et le carburant sont en
général introduits dans des tourbillonneurs à canaux orientés en contra-
rotation ou des vrilles, puis les particules de carburant sont pulvérisées
dans
l'air via un mélangeur. Le mélange, enflammé à l'aide d'une bougie située à
une distance déterminée, est brûlé dans la chambre. Les gaz générés
possèdent alors une haute énergie cinétique, qui est exploitée pour générer
de la propulsion ou de l'énergie mécanique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
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[0004]De nos jours, l'allumage de la chambre est assuré par deux injecteurs
dédiés au démarrage, chaque injecteur de démarrage étant associé à une
bougie. Les autres injecteurs sont dédiés aux régimes post démarrage :
régimes transitoires d'accélération ou décélération et régimes stabilisés en
vol. Cette architecture nécessite de disposer d'injecteurs de démarrage
spécifiques, et donc une masse supplémentaire, des orifices de montage
spécifiques pour ces injecteurs sur le tube à flamme qui supporte l'ensemble
des injecteurs, ainsi que la mise en place de contrôles supplémentaires qui
en résultent.
[0005]Il existe par ailleurs des chambres de combustion équipées d'injecteurs
ayant un double circuit d'alimentation en carburant, un circuit auxiliaire et
un
circuit principale. Le circuit auxiliaire est dédié au fonctionnement au
ralenti,
c'est-à-dire à faible charge, alors que le circuit principal ou les deux
circuits
sont sollicités aux régimes intermédiaires et stabilisés. Au régime plein gaz,
le
rapport des débits entre les deux circuits s'inversent et le circuit principal
devient prépondérant ou l'unique fournisseur de carburant. Une telle
répartition est décrite par exemple dans le document de brevet FR 2 906 868
ou FR 2 896 030, déposés au nom de la demanderesse.
[0006]Cependant ces injecteurs à double circuit ne sont pas adaptés pour
être utilisés en phase de démarrage car leur structure ne permet pas
d'éjection de mélange à vitesse élevée au démarrage. C'est pourquoi la
présence d'injecteurs spécifiques perdure avec les inconvénients cités plus
haut.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0007]L'invention vise à remédier à ce problème, en proposant un injecteur
de démarrage qui puisse également être utilisé dans tous les régimes de vol
sans coût ni masse supplémentaire. Pour ce faire, cet injecteur de démarrage
possède une configuration particulière de double circuit de carburant et de
circuit d'air.
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[0008]Plus précisément, la présente invention a pour objet un injecteur de
chambre de combustion de turbine à gaz, comportant un double circuit
d'injection de carburant et un circuit d'air. Les circuits d'injection de
carburant
se composent d'un circuit de carburant de démarrage, apte à déclencher
l'allumage de la chambre puis à fonctionner dans tous les régimes de vol, et
d'un circuit de carburant principal, apte à fonctionner dans tous les régimes
de vol suite au démarrage. Les circuits de carburant ont des conduits
parallèles formés dans un tube commun d'axe longitudinal. Le conduit du
circuit de démarrage débouche, en une extrémité, sensiblement au centre
d'un corps d'injecteur sphérique prolongeant le tube commun. En cette
extrémité, le conduit loge une rampe d'injection apte à entraîner le carburant
en rotation avant de le projeter à l'intérieur de la chambre par un canal
central
traversant une paroi centrale de tourbillonneur. Le conduit du circuit
principal
débouche dans un canal annulaire formé dans le corps en regard de canaux
gicleurs agencés radialement dans la paroi principale autour du canal central.
Le circuit d'air est guidé entre deux portions de sphères concentriques
constituées par le corps d'injecteur et un fourreau enveloppant le corps
d'injecteur et présentant une ouverture par laquelle débouche le
tourbillonneur.
[0009]Ainsi l'injecteur selon l'invention présente un encombrement fortement
réduit grâce à son architecture doublement sphérique.
[0010] De plus, le circuit de démarrage central est thermiquement protégé de
la cokéfaction par la circulation du carburant dans le canal annulaire du
circuit
principal. Le circuit principal est lui-même thermiquement protégé par le flux
d'air périphérique circulant dans l'espace inter-sphérique.
[0011]Avantageusement, le tourbillonneur est en position inclinée par rapport
à l'axe longitudinal de l'injecteur. Cette inclinaison permet de positionner
l'extrémité du circuit de démarrage au centre de celui-ci et d'orienter les
jets
d'air et de carburant en direction de la bougie agencée en fond de chambre.
[0012] Selon des formes de réalisation particulières :
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- le conduit de carburant du circuit de démarrage présente en son
extrémité un évidement cylindrique pour loger la rampe ;
- le canal central est de forme conique se rétrécissant vers
l'intérieur de la chambre de combustion dans laquelle il débouche ;
- les canaux radiaux présentent une orientation inclinée par rapport
à l'axe du canal central et en contra-rotation par rapport à l'inclinaison des
ailettes du tourbillonneur ; le flux d'air en sortie d'injecteur forme alors
un cône d'air enveloppant le cône de carburant du circuit principal ;
- la rampe d'injection du circuit de démarrage est hélicoïdale ;
- le canal annulaire du circuit de carburant principal n'est pas bouclé
sur lui-même et présente des extrémités afin de ne pas former de zone
morte où le carburant pourrait stagner ;
- le nombre de canaux radiaux est égal à un multiple du nombre
d'ailettes du tourbillonneur.
[0013] L'invention se rapport également à une chambre de combustion
équipée d'au moins un injecteur à double circuit présenté ci-dessus et
d'injecteurs à simple circuit. Tous les injecteurs sont montés en alignement
sur le carter enveloppant la chambre de combustion et traversent un tube à
flamme par des orifices formés le long d'au moins une ligne parallèle à l'axe
longitudinal du tube à flamme.
[0014] Les injecteurs à double circuit sont orientés vers la bougie d'allumage
de sorte que ces injecteurs sont aptes à projeter un cône air/carburant en
sortie du tourbillonneur dirigé vers le fond de la chambre de combustion.
[0014a] Selon un mode de réalisation, le tourbillonneur est en position
inclinée par
rapport à l'axe longitudinal de l'injecteur afin de positionner l'extrémité du
circuit de
démarrage au centre de celui-ci et d'orienter les jets d'air et de carburant
au sortir
de l'injecteur dans une direction privilégiée à l'intérieur de la chambre.
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[0015] Dans un mode de réalisation préféré, la chambre de combustion est
équipée
de deux injecteurs à double circuit non adjacents sur la lignée d'injecteurs.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
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[0016]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 lb, une vue éclatée et une vue en coupe d'un
5 exemple d'injecteur à double circuit selon l'invention,
- les figures 2a et 2b, une vue en perspective et une vue en coupe
d'une variante de l'exemple précédent ; et
- la figure 3, une vue en perspective partielle d'une chambre de
combustion équipée d'injecteurs à double circuit présentés ci-dessus et
d'injecteurs à simple circuit.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0017]En référence à la vue éclatée et à la vue en coupe des figures
respectives la et lb, un injecteur 1 selon l'invention comporte une bride de
fixation 10 sur un carter 2 de chambre de combustion annulaire 3, un tube
commun 11 d'axe longitudinal X'X de référence de l'injecteur, et un
tourbillonneur circulaire 4 de paroi centrale 14 et d'axe de symétrie Y'Y
incliné
par rapport à l'axe X'X. Cette paroi centrale 14 permet de projeter, à travers
l'ouverture 15 d'un fourreau 5, un mélange air/carburant dans un tube à
flamme 6 qui prend appui sur le fourreau 5. Le tourbillonneur 4 est
dimensionné de sorte que les ailettes 40 de ce tourbillonneur, régulièrement
réparties en périphérie de la paroi centrale 14, prennent appui de manière
auto-ajustée et autocentrée sur le bord de l'ouverture 15.
[0018]Le double circuit d'injection de carburant se compose d'un circuit de
carburant de démarrage Cl, apte à déclencher l'allumage de la chambre 3 et
à fonctionner dans tous les régimes de vol, et d'un circuit de carburant
principal C2, apte à fonctionner dans tous les régimes de vol suite au
démarrage.
[0019] Les circuits Cl et C2 sont couplés à des tubulures d'alimentation en
carburant (non représentés). Ces circuits sont constitués d'alésages d'accès
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2a, 2b formés dans la bride de fixation 10, en liaison avec des conduits
longitudinaux parallèles, respectivement 12a et 12b, s'étendant dans le tube
11 en appui sur des douilles d'étanchéité 13a et 13b logées dans ce tube.
Ces conduits s'étendent dans le tube 11 parallèlement à l'axe longitudinal X'X
et débouchent dans la chambre de combustion 3 par la paroi centrale 14.
[0020]Concernant le circuit de démarrage Cl, le conduit 12a débouche ¨ en
une extrémité 12e ¨ sensiblement au centre d'un corps d'injecteur
hémisphérique ils en prolongement du tube 11. De plus, à cette extrémité, le
conduit 12a loge - dans un évidement cylindrique 21 d'axe incliné confondu
avec l'axe Y'Y du tourbillonneur 4 ¨ une rampe hélicoïdale de carburant 7.
Avantageusement, l'évidement 21 présente une extrémité conique 21c
couplée, à travers la paroi centrale 14 du tourbillonneur 4, à un canal
central
41 d'axe confondu avec l'axe Y 'Y du tourbillonneur 4 ou de l'évidement 21.
Ce canal central 41 débouche dans la chambre de combustion 3.
[0021]Concernant le circuit principal C2, un gicleur 8 est avantageusement
monté dans l'alésage d'accès 2b de la bride 10. Ce gicleur permet de calibrer
le débit de carburant qui varie suivant les phases de vol. Après un coude 12c,
le conduit longitudinal 12b est orienté dans une portion finale 12f
parallèlement à l'axe Y'Y et débouche dans un canal annulaire 16 réalisé
dans le corps sphérique lis. Ce canal annulaire 16 présente
avantageusement deux extrémités 16e. En d'autres termes, ce canal n'est pas
bouclé sur lui-même. Ainsi, aucune zone morte où le carburant pourrait
stagner ne se forme.
[0022]Le canal annulaire 16 est brasé sur la paroi centrale à l'aide d'une
brasure appropriée 20 qui laisse apparaître la forme non bouclée du canal
annulaire 16. Ce canal annulaire 16 communique avec des canaux gicleurs
42 agencés radialement et répartis de manière équidistante autour du canal
central 41. Avantageusement, ces canaux gicleurs ont le même diamètre. Les
canaux radiaux 42 présentent avantageusement une orientation selon des
axes K'K symétriquement inclinés par rapport à l'axe Y'Y du canal central 41
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(voir en particulier la figure lb), et en contra-rotation par rapport à
l'inclinaison des ailettes 40 du tourbillonneur 4. Avantageusement, le nombre
de canaux radiaux 42 est égal à un multiple du nombre d'ailettes 40 du
tourbillonneur 4.
[0023] Par ailleurs, le flux d'air en entrée FE - provenant du dernier étage
de
compression - traverse des ouvertures 170 formées dans un couvercle évasé
17 prolongeant le tube 11, et est ensuite guidé dans un circuit d'air C3
circulant dans un espace inter-sphérique E . Cet espace E est formé
entre deux portions de sphères concentriques formées par le corps d'injecteur
1 1 s et partiellement par le fourreau 5 dans une partie sphérique 5s
enveloppant le corps d'injecteur lis. Le fourreau présente également une
partie cylindrique à section circulaire 5c, qui permet d'assurer un appui au
tube à flamme 6 et au couvercle évasé 17 du tube 11. Ainsi l'injecteur selon
l'invention présente un encombrement minimal grâce à ce passage inter-
sphérique.
[0024] De plus, le circuit de démarrage central Cl est thermiquement protégé
de la cokéfaction par la circulation du carburant dans le canal annulaire 16
du
circuit principal C2, ce circuit principal étant lui-même thermiquement
protégé
par le flux d'air périphérique F circulant dans l'espace inter-sphérique E
du circuit d'air C3.
[0025] En sortie d'injecteur 1, le flux d'air Fs forme avantageusement, en
passant entre les ailettes 40, un cône d'air Ca enveloppant le cône de sortie
de carburant Cs du circuit principal C2.
[0026] Selon une variante de réalisation en référence aux vues en perspective
et en coupe des figures 2a et 2b, l'injecteur illustré 1' reprend des éléments
de l'exemple précédent. Ces élément identiques sont donc représentés avec
les mêmes signes de référence : la description précédente de ces éléments
est applicable directement aux figures 2a et 2b dans leur structure et leur
fonction.
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[0027]Les modifications proviennent essentiellement de la configuration de la
liaison entre le tube longitudinal 11 et le fourreau 5. Dans l'exemple
illustré
aux figure 2a et 2b, le tube 11' ne présente pas de couvercle évasé 17 pour
former les ouvertures 170 d'accès du flux d'air FE dans le circuit C3. Ici, le
tube 11' est prolongé directement par le corps sphérique ils. Et le fourreau
5'
se prolonge dans sa partie cylindrique jusqu'à venir se fixer sur la bride 10.
Les ouvertures 170' de passage du flux d'air FE dans le circuit C3' sont alors
pratiquées dans la partie cylindrique du fourreau 5', du côté de la bride 10.
La
partie d'extrémité conique 21c de l'évidement 21 traverse la paroi centrale 14
du tourbillonneur 4 et fait fonction de canal central 41.
[0028]En référence à la figure 3, la vue en perspective partielle illustre la
chambre de combustion 3 équipée d'injecteurs montés sur la paroi du tube à
flamme 6 : deux injecteurs à double circuit 1 présentés ci-dessus et sept
injecteurs à simple circuit 100. La chambre est partiellement écorchée afin de
faire apparaître certains injecteurs en entier et la bougie 101 du côté du
fond
3f de la chambre.
[0029]Tous les injecteurs 1, 100 sont montés régulièrement sur le pourtour
annulaire de la chambre 3. Des orifices 60 ont été pratiqués dans le tube 6
pour enserrer les fourreaux 5 des injecteurs 1, 100.
[0030]Les injecteurs à double circuit 1 sont orientés vers la bougie
d'allumage 101. Grâce à l'orientation inclinée des canaux gicleurs 42 et des
canaux centraux 41, les injecteurs à double circuit 1 sont aptes à projeter
des
cônes air/carburant Ca/Cs en sortie des tourbillonneurs vers le fond 3f de la
chambre de combustion 3. Après allumage, la flamme se dirige vers le fond
3f, se retourne et ressort par la sortie opposée 3s.
[0031]Dans l'exemple illustré, les deux injecteurs à double circuit 1 sont
séparés par un injecteur simple circuit 100 de sorte à faciliter l'orientation
des
injecteurs à double circuit 1 vers la bougie 101.
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[0032]L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et
représenté. Par exemple, le corps de l'injecteur peut former une partie de
sphère plus ou moins complète suivant la dimension d'ouverture ou le
diamètre du tube commun. Il est par ailleurs possible de former plusieurs
lignes d'injecteurs dans le tube à flamme.
