Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
1
Chambre annulaire de combustion pour une turbomachine
La présente invention concerne une chambre annulaire de
combustion d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un
turbopropulseur d'avion.
Une chambre annulaire de combustion comprend deux parois
annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles
à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre
comportant des ouvertures dans chacune desquelles est monté un système
d'injection de carburant.
Les demandes FR-A1-2 918 716, FR-A1-2 925 146 et FR-A1-
2 941 288 décrivent des systèmes d'injection de carburant pour de telles
chambres annulaires.
Un système d'injection classique comprend des moyens de support
et de centrage d'une tête d'injecteur, et des vrilles primaire et secondaire
qui sont montées en aval des moyens de support, coaxialement à ces
moyens, et qui délivrent chacune des flux d'air radiaux en aval de l'injecteur
afin de réaliser un mélange d'air et de carburant destiné à être injecté puis
brûlé dans la chambre de combustion. L'air sortant de la vrille primaire est
accéléré dans un venturi intercalé entre les deux vrilles. Un bol mélangeur
de forme tronconique est monté en aval des vrilles pour la pulvérisation du
mélange air/carburant qui entre dans la chambre de combustion.
Les vrilles du système d'injection comportent chacune des canaux
sensiblement radiaux qui délivrent un flux d'air tourbillonnaire ou swirl
en terminologie anglo-saxonne. Dans la technique actuelle, ces canaux ont
une section en forme de carré ou de rectangle présentant un axe
longitudinal, leurs faces amont et aval étant perpendiculaires à cet axe
longitudinal et reliées entre elles par des faces latérales parallèles à cet
axe.
La chambre de combustion est équipée d'une rangée annulaire
d'injecteurs de carburant qui s'étend autour de l'axe longitudinal de la
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
2
chambre. Chaque injecteur comprend un ou deux circuits de carburant qui
alimentent chacun un canal hélicoïdal situé dans la tête de l'injecteur, ce
canal hélicoïdal permettant de mettre en rotation le carburant autour de
l'axe longitudinal de la tête et de produire une nappe de carburant dans
laquelle les vecteurs vitesses des gouttes pulvérisées de carburant sont
tous orientés dans le même sens (horaire ou anti-horaire) par rapport à
l'axe longitudinal de la tête d'injecteur et forment tous un même angle par
rapport à cet axe longitudinal. Cet angle est sensiblement égal à l'angle
d'hélice du canal hélicoïdal précité, c'est à dire à l'angle formé entre une
droite tangente en un point du canal hélicoïdal et l'angle longitudinal de la
tête d'injecteur.
La tête de chaque injecteur est engagée axialement dans les
moyens de support précités d'un système d'injection, ces moyens de
support comportant des orifices axiaux de purge d'air qui débouchent
rad ialement à l'intérieur de la vrille primaire pour la ventilation du
venturi.
Dans la technique actuelle, le flux d'air sortant de ces orifices de
purge perturbe le flux d'air tourbillonnaire délivré par la vrille primaire,
ce
qui entraîne des turbulences et des recirculations du mélange air-carburant
dans le venturi et se traduit par le dépôt de suie et de coke sur la surface
intérieure du venturi.
Ce dépôt peut gêner l'injection du mélange air/carburant dans la
chambre et créer localement des points chauds à l'intérieur de la chambre,
ce qui favorise notamment l'émission de gaz nocifs tels que des oxydes
d'azote (N0x).
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet une chambre annulaire de combustion pour
une turbomachine, comportant deux parois annulaires coaxiales,
respectivement interne et externe, reliées à leurs extrémités amont par une
paroi annulaire formant un fond de la chambre, et une rangée annulaire
d'injecteurs de carburant dont les têtes sont engagées dans des systèmes
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
3
d'injection de carburant montés dans des ouvertures de la paroi de fond de
chambre, chaque tête d'injecteur comportant au moins un canal hélicoïdal
de passage de carburant pour la mise en rotation de ce carburant autour de
l'axe longitudinal de la tête, et chaque système d'injection comportant au
moins une vrille coaxiale à la tête d'injecteur et comportant des canaux
sensiblement radiaux de passage d'air ayant une section allongée
présentant un axe, caractérisée en ce que les axes longitudinaux des
sections desdits canaux sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la
vrille, d'un angle qui est sensiblement égal à l'angle d'hélice du canal
hélicoïdal précité de la tête d'injecteur, à +/- 100 près, et sont orientés
dans
le même sens que ce canal autour de l'axe longitudinal de la vrille.
Les axes des sections des canaux de la vrille sont ainsi
sensiblement parallèles, à -F1- 10 près, aux vecteurs vitesses des gouttes
de carburant pulvérisées dans le système d'injection, ce qui permet au flux
d'air délivré par la vrille de cisailler la nappe de carburant en limitant les
recirculations du mélange air-carburant en aval de la vrille et le risque de
dépôt de coke sur la surface interne du venturi. Dans un cas particulier de
réalisation de l'invention, les axes des sections des canaux de la vrille sont
inclinés d'un angle qui est sensiblement égal à l'angle d'hélice du canal
hélicoïdal de la tête d'injecteur.
Les axes des sections des canaux de la vrille sont par exemple
inclinés d'un angle compris entre 20 et 40 environ par rapport à l'axe
longitudinal de la vrille.
Chaque injecteur de carburant peut comprendre un premier circuit
de carburant d'alimentation d'un canal hélicoïdal et un second circuit
indépendant de carburant d'alimentation d'un autre canal hélicoïdal
(externe) de diamètre supérieur au premier canal hélicoïdal (interne). Ces
circuits de carburant fournissent deux nappes de carburant coaxiales en
forme de cône et ayant des angles d'ouverture différents. La nappe de
carburant de plus faible angle d'ouverture peut être optimisée au
démarrage du moteur et pour le régime plein gaz et la seconde nappe de
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
4
plus grand angle d'ouverture peut être optimisée pour la plage de régime
allant du démarrage au plein gaz. Les axes des sections des canaux de la
vrille sont de préférence inclinés d'un même angle et dans le même sens
que le canal hélicoïdal externe de production de la nappe de carburant de
plus grand angle d'ouverture.
Chaque canal de la vrille peut avoir une section en forme de carré,
de rectangle ou de losange.
De préférence, la vrille est formée d'une seule pièce avec les
moyens de support du système d'injection.
La vrille peut comprendre à son extrémité aval un rebord
périphérique cylindrique d'accrochage sur un venturi situé en aval de la
vrille.
Les canaux de la vrille sont séparés les uns des autres par des
aubages. Chacun de ces aubages peut comprendre au moins un orifice
traversant de passage d'air, qui est incliné par rapport à l'axe longitudinal
de la vrille sensiblement d'un même angle et dans le même sens que les
axes des sections des canaux situés de part et d'autre de cet aubage. Ces
orifices communiquent avec des orifices traversants formés dans le venturi
pour le passage d'un flux d'air destiné à s'écouler le long de la surface
externe du venturi et de la surface interne du bol.
Ces orifices permettent de créer un film d'air de purge du divergent
du bol pour y empêcher le dépôt de coke et de suie. Les orifices axiaux de
la vrille sont alimentés par de l'air provenant directement du diffuseur, ce
qui est avantageux. En effet, dans la technique antérieure, le film d'air
provient d'orifices radiaux formés dans une paroi cylindrique du venturi, cet
air devant contourner la vrille amont et alimentant ces orifices en statique,
ce qui réduit l'efficacité de la purge du bol et favorise les recirculations
d'air.
Selon un mode de réalisation de l'invention dans lequel chaque
système d'injection comprend deux vrilles, respectivement amont et aval, et
le bol mélangeur comporte au moins une rangée annulaire d'orifices de
passage d'air destiné à se mélanger au carburant, les axes des sections
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
des canaux de la vrille amont sont inclinés d'un même angle et dans le
même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur, et les axes des
sections des canaux de la vrille aval sont orientés dans le même sens que
le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur.
5 Dans le cas où le bol mélangeur comporte des orifices du type
précité, il est en effet avantageux que les flux d'air délivrés par les
vrilles
soient co-courants aux vecteurs vitesses des gouttes de la nappe de
carburant. Par ailleurs, l'angle entre les axes des sections des canaux de la
vrille aval et l'axe longitudinal de la vrille peut être identique à ou
différent
de celui entre les axes des sections des canaux de la vrille amont et l'axe
longitudinal.
Dans une variante de l'invention dans laquelle chaque système
d'injection comprend deux vrilles, respectivement amont et aval, et un bol
mélangeur dépourvu d'orifices de passage d'air destiné à se mélanger au
carburant, les axes des sections des canaux de la vrille amont sont inclinés
d'un même angle et dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête
d'injecteur, et axes des sections des canaux de la vrille aval sont orientés
dans le sens contraire au canal hélicoïdal de la tête d'injecteur autour de
l'axe longitudinal de la vrille.
Dans le cas où le bol mélangeur ne comporte pas d'orifices du type
précité, il est en effet avantageux que le flux d'air délivré par la vrille
amont
soit co-courant aux vecteurs vitesses des gouttes de carburant et que le
flux d'air délivré par la vrille aval soit à contre-courant de ces vecteurs
vitesses, de façon à ce que le flux d'air délivré par la vrille aval stabilise
la
flamme dans le foyer de la chambre de combustion. Par ailleurs, l'angle
entre les axes des sections des canaux de la vrille aval et l'axe longitudinal
de la vrille peut être identique à celui entre les axes des sections des
canaux de la vrille amont et cet axe.
Les canaux de la vrille sont séparés les uns des autres par des
aubages et peuvent être contenus dans un plan radial. Les bords de fuite
ou extrémités radialement internes des aubages s'étendant
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
6
avantageusement sur une surface tronconique évasée vers l'aval autour de
l'axe longitudinal du système d'injection.
Le flux d'air tourbillonnant délivré par la vrille du système d'injection
est destiné à balayer et ventiler la tête de l'injecteur et le venturi et à se
mélanger au carburant injecté dans la chambre. La vrille assure donc en
plus de sa fonction principale une fonction similaire à celle des orifices de
purge de la technique antérieure et peut donc être considérée comme une
vrille purgeuse . Le système d'injection est donc avantageusement
exempt d'orifices de purge du type précité, ce qui permet de supprimer les
turbulences liées à l'interaction des flux d'air sortant des orifices de purge
et de la vrille de la technique antérieure, ainsi que les risques de dépôt de
coke sur le venturi dus à ces turbulences.
Le bord de fuite de chaque aubage de la vrille peut comprendre une
surface incurvée (concave vers l'intérieur) et inclinée d'amont en aval vers
l'extérieur. La surface tronconique sur laquelle s'étendent les bords de fuite
a un angle d'ouverture de l'ordre de 45 à 65 par exemple, qui correspond
sensiblement à celui de la nappe de carburant pulvérisé par l'injecteur dans
le système. Les bords de fuite des aubages s'étendent donc parallèlement
à la surface périphérique externe de la nappe de carburant, ce qui facilite le
mélange de l'air et du carburant dans le venturi.
Par ailleurs, la suppression des orifices de purge permet de réduire
le nombre d'orifices du système d'injection par rapport à ceux de la
technique antérieure et d'augmenter le diamètre des orifices restants pour
une perméabilité donnée du système (égale à la somme des sections
efficaces des orifices et des canaux de passage d'air du système), ce qui
facilite leur usinage et diminue leur coût de réalisation, et permet de
réaliser
un système d'injection de faible diamètre pour une turbine de petite taille.
Chaque système d'injection peut comprendre un venturi et un bol
mélangeur situés en aval de la vrille, la vrille assurant une ventilation du
venturi, par guidage du flux d'air sortant de la vrille le long de la surface
interne du venturi.
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
7
De préférence, la vrille comprend à son extrémité aval un rebord
périphérique cylindrique d'accrochage sur le venturi.
Chaque système d'injection peut comprendre des moyens de
support et de centrage d'une tête d'injecteur, ces moyens de support
comportant une surface cylindrique interne qui est destinée à entourer la
tête de l'injecteur et qui est reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont
de plus petit diamètre de la surface tronconique précitée.
La présente invention concerne également une turbomachine, telle
qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce
qu'elle comprend une chambre annulaire de combustion telle que décrite
ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails
et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence
aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un diffuseur
et d'une chambre annulaire de combustion de turbomachine, selon la
technique antérieure ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un
injecteur de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine ;
- la figure 3 est une vue à plus grande échelle du système d'injection de
la
figure 1 ;
- la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3;
- la figure 5 est une vue schématique partielle en perspective d'une tête
d'injecteur et d'un système d'injection pour une chambre de combustion
selon l'invention ; et
- les figures 6 et 7 représentent très schématiquement les orientations des
sections des canaux de passage d'air des vrilles d'un système d'injection
selon des variantes de réalisation de la chambre de combustion selon
l'invention ;
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
8
- la figure 8 est une vue schématique en coupe axiale d'un système
d'injection selon l'invention ;
- la figure 9 est une vue schématique en perspective du système d'injection
de la figure 8, vu de l'amont et de côté ;
- la figure 10 est une vue schématique en perspective de la vrille du
système d'injection de la figure 8, vue de l'aval et de côté ;
- la figure 11 est une vue de la face aval d'une vrille selon une variante
de
réalisation du système d'injection selon l'invention ; et
- la figure 12 est une vue correspondant à la figure 8 et représentant la
variante de réalisation du système d'injection de la figure 11.
La figure 1 représente une chambre annulaire de combustion 10
d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur
d'avion, cette chambre étant agencée en sortie d'un diffuseur 12, lui-même
situé en sortie d'un compresseur (non représenté).
La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 14 et une
paroi de révolution externe 16 qui sont reliées en amont par une paroi
annulaire 18 de fond de chambre.
Un carénage annulaire 20 est fixé sur les extrémités amont des
parois 14, 16 de la chambre et comprend des ouvertures 22 de passage
d'air alignées avec des ouvertures 24 de la paroi 18 de fond de chambre
dans lesquelles sont montés des systèmes 26 d'injection de carburant, le
carburant étant amené par des injecteurs 28 régulièrement répartis autour
de l'axe de la chambre.
Une partie du débit d'air 32 fourni par le compresseur et sortant du
diffuseur 12 pénètre dans l'enceinte annulaire délimitée par le carénage 20,
passe dans le système d'injection 26, et est ensuite mélangée au carburant
amené par l'injecteur 28 et pulvérisé dans la chambre de combustion 10.
Chaque injecteur 28 comprend une tête 30 d'injection de carburant
engagée dans un système d'injection 26 et alignée sur l'axe d'une
ouverture 24 de la paroi de fond de chambre 18.
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
9
La figure 2 représente à plus grande échelle la tête 30 d'un injecteur
de carburant 28 du type comprenant deux circuits de carburant, qui est
décrite en détail dans la demande FR-A1-2 817 016 de la demanderesse.
Le premier circuit de carburant de l'injecteur 28 comprend un tube
d'alimentation 34 dont une extrémité est engagée et fixée dans un alésage
cylindrique 36 d'une pièce cylindrique 38 qui est elle-même montée à
l'intérieur d'un manchon 40. Le carburant est amené par le tube dans
l'alésage 36 de la pièce 38 puis circule dans des canaux hélicoïdaux 42
débouchant à l'extrémité libre aval de la pièce 38 pour mettre en rotation le
carburant autour de l'axe longitudinal XX de la tête d'injecteur. L'extrémité
libre aval du manchon 40 est située en aval de la pièce cylindrique 38 et
comprend un orifice 43 d'éjection du carburant dont la partie d'extrémité
aval est à section tronconique pour former une nappe de carburant en
forme de cône ayant un angle d'ouverture A prédéterminé.
Le second circuit de carburant de l'injecteur 28 comprend un tube
d'alimentation 44, coaxial au tube 34 et de diamètre supérieur, dont une
extrémité est engagée et fixée dans un alésage cylindrique 46 de la pièce
cylindrique 38, cet alésage 46 étant en communication fluidique avec des
canaux hélicoïdaux 48 du manchon 40 précité. Ces canaux 48 sont formés
par des gorges hélicoïdales externes formées sur une surface cylindrique
externe du manchon 40 et fermées par un embout cylindrique 50 entourant
la pièce cylindrique 38, le manchon 40 et les parties d'extrémités aval des
tubes 34, 44.
Le carburant est mis en rotation autour de l'axe longitudinal XX lors
de son passage dans les canaux 48 qui débouchent à l'extrémité aval du
manchon 40. L'extrémité libre aval de l'embout 50 est située en aval du
manchon 40 et comprend un orifice 52 d'éjection du carburant coaxial à
l'orifice 42 et dont la partie d'extrémité aval est à section tronconique pour
former une nappe de carburant en forme de cône ayant un angle
d'ouverture B prédéterminé (B étant supérieur à A).
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
Chaque nappe de carburant produite par un injecteur 28 est formée
d'une multitude de gouttes dont les vecteurs vitesses sont sensiblement
tous orientés de la même façon par rapport à l'axe longitudinal XX de la
tête d'injecteur. Les vecteurs vitesses de ces gouttes forment un angle 13
5 (beta) avec l'axe XX, cet angle 1:3 étant sensiblement égal à l'angle
d'hélice
des canaux hélicoïdaux 42 ou 48 précités qui délivrent la nappe de
carburant. Les gouttes de carburant ont une taille comprise entre 10 et 100
microns environ.
Un système d'injection 26 de la technique antérieure, mieux visible
10 en figure 3, comporte deux vrilles coaxiales, une vrille amont ou
interne 54
et une vrille aval ou externe 56, qui sont séparées l'une de l'autre par un
venturi 58 et qui sont reliées en amont à des moyens 60 de support de la
tête 30 d'un injecteur 28, et en aval à un bol mélangeur 62 qui est monté
axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre.
Les vrilles 54, 56 comprennent chacune une pluralité d'aubages
s'étendant sensiblement radialement autour de l'axe XX des vrilles et
régulièrement réparties autour de cet axe pour délivrer des flux d'air
tourbillonnants en aval de la tête d'injection 30. Les aubes délimitent entre
elles des canaux de passage d'air, qui sont inclinés ou incurvés autour de
l'axe XX des vrilles.
Les moyens 60 de support de la tête d'injection 30 comprennent une
bague 64 traversée axialement par la tête d'injection 30 et montée
coulissante dans une douille 66 fixée sur la vrille interne 54. La bague 64
comprend un rebord annulaire 68 s'étendant radialement vers l'extérieur et
logé dans une gorge annulaire de la douille 66, le diamètre interne de la
gorge de la douille 66 étant supérieur au diamètre externe du rebord 68 de
la bague 64.
Le rebord 68 de la bague 64 comporte des orifices de purge 70
sensiblement axiaux pour le passage d'un flux d'air destiné à balayer la tête
30 de l'injecteur pour éviter un retour de flamme vers l'injecteur en
fonctionnement.
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
11
Le bol mélangeur 62 a une paroi sensiblement tronconique évasée
vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 72,
s'étendant vers l'amont et monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi
18 de fond de chambre. L'extrémité amont de la paroi tronconique du bol
62 est reliée à une pièce annulaire intermédiaire 74 fixée sur la vrille
externe 56.
La paroi tronconique du bol 62 comporte une rangée annulaire
d'orifices 76 de passage d'air, s'étendant autour de l'axe XX. Le bol 62
comporte en outre, au voisinage de son rebord 72, une seconde rangée
annulaire d'orifices 78 de passage d'air, cet air étant destiné à venir
impacter une collerette annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur
depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol.
Le venturi 58 a en section une forme sensiblement en L et comprend
à son extrémité amont un rebord annulaire externe 80 s'étendant
radialement vers l'extérieur et intercalé axialement entre les deux vrilles
54,
56. Le venturi 58 s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille
externe 56 et sépare les écoulements d'air issus des vrilles interne 54 et
externe 56.
Le venturi 58 délimite intérieurement une chambre de prémélange
dans laquelle une partie du carburant injecté se mélange au flux d'air
délivré par la vrille interne 54, ce prémélange air/carburant se mélangeant
ensuite en aval du venturi au flux d'air provenant de la vrille externe 56
pour former un cône de carburant pulvérisé à l'intérieur de la chambre.
Comme cela est représenté en figure 4, le nombre d'aubages de la
vrille interne 54 est différent de celui des orifices de purge 70 et les
positions angulaires des orifices et des aubages autour de l'axe XX sont
définies aléatoirement.
Dans la technique actuelle, les canaux des vrilles 54, 56 ont chacun
une section en forme de carré ou de rectangle et comprennent une face
amont 86 et une face aval 88, qui sont reliées entre elles par des faces
latérales 90 s'étendant parallèlement à l'axe XX du système d'injection.
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
12
Le flux d'air 82 délivré par la vrille et celui sortant des orifices de
purge 70 s'entrecroisent ce qui crée des recirculations 84 et des
hétérogénéités azimutales du débit d'air d'alimentation du venturi 58, le
cisaillement de la nappe de carburant par le flux d'air 68 n'est alors pas
optimal.
L'invention permet de remédier à ces problèmes grâce à un système
d'injection 126 tel que représenté en figure 5 dont les canaux 100 de la
vrille 154 (amont dans le cas d'un système à deux vrilles) ont des sections
allongées présentant un axe longitudinal parallèle aux faces latérales 190
des canaux et qui sont inclinés d'un angle 1:3' par rapport à l'axe XX de la
vrille, cet angle [3' étant sensiblement égal (à +/-10 prés) à l'angle
d'hélice
1:3 des canaux hélicoïdaux 48 précités de la tête d'injection 30 et aux
vecteurs vitesses des gouttes de carburant de la nappe produite par ces
canaux.
Le flux d'air délivré par la vrille 154 est parallèle et co-courant aux
vecteurs vitesses des gouttes da carburant de la nappe, ce qui permet à ce
flux d'air de cisailler la nappe en limitant les risques de recirculation du
mélange air-carburant et de dépôt de coke sur le venturi (non représenté)
situé en aval de la vrille.
Dans l'exemple représenté, les moyens de support 160 de la tête
d'injecteur 30 sont formés d'une seule pièce avec la vrille 154 qui comporte
à son extrémité aval un rebord périphérique externe 102 d'accrochage sur
le venturi.
Les parois latérales 190 de chaque canal 100 de la vrille 154 sont
reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi amont
perpendiculaire à l'axe XX. Les canaux 100 sont fermés en aval par une
face radiale amont du venturi qui définit les parois aval des canaux 100,
ces parois aval des canaux étant perpendiculaires à l'axe XX.
Les canaux 100 de la vrille 154 sont séparés les uns des autres par
des aubages sensiblement radiaux qui sont percés d'orifices de purge 104
traversant la vrille sur toute sa dimension axiale. Ces orifices de purge 104
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
13
débouchent à leurs extrémités amont sur une face radiale amont de la vrille
154 et leurs extrémités aval communiquent avec des orifices
correspondants du venturi pour le passage d'un flux d'air de purge sur la
surface externe du venturi et la surface tronconique interne du bol
mélangeur situé en aval du venturi, le venturi et le bol mélangeur du
système d'injection selon l'invention étant similaires à ceux représentés en
figure 3. Les orifices de purge 104 sont inclinés d'un même angle [3' autour
de l'axe XX.
Dans le cas ou le système d'injection selon l'invention comprend
deux vrilles coaxiales et un bol mélangeur (comme c'est le cas en figure 3),
les axes des sections des canaux des vrilles peuvent être orientés dans le
même sens ou dans des sens contraires autour de l'axe XX, comme cela
est représenté schématiquement aux figures 6 et 7.
Les sections transversales d'un canal de la vrille amont et d'un canal
de la vrille aval sont schématiquement représentées aux figures 6 et 7 par
des rectangles.
Dans la figure 6, les axes des sections des canaux des vrilles amont
254 et aval 256 sont orientés dans le même sens et délivrent des flux d'air
co-courants aux vecteurs vitesses des gouttes de la nappe de carburant.
L'angle 131 entre les axes des sections des canaux de la vrille amont 254 et
l'angle XX est sensiblement égal, à -F1-100 prés, à l'angle précité entre les
vecteurs vitesses des gouttes et l'axe XX, et l'angle [32 entre les axes des
sections des canaux de la vrille aval 256 et l'angle XX est égal à 131 ou
différent de 131. Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement
adapté pour un système d'injection dont le bol mélangeur comporte des
orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant en
fonctionnement, c'est-à-dire des orifices du type de ceux référencés 76 en
figure 3.
Dans la figure 7, les axes des sections des canaux des vrilles amont
354 et aval 356 sont orientés dans des sens contraires et délivrent
respectivement des flux d'air à co-courant et à contre-courant des vecteurs
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
14
vitesses des gouttes de la nappe de carburant. L'angle 131' entre les axes
des sections des canaux de la vrille amont 354 et l'angle XX est
sensiblement égal, à +/-10 prés, à l'angle précité entre les vecteurs
vitesses des gouttes et l'axe XX, et l'angle 132' entre les faces latérales
390
des canaux de la vrille aval 256 et l'angle XX est sensiblement égal à 81'.
Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement adapté pour un
système d'injection dont le bol mélangeur ne comporte d'orifices de
passage d'air destiné à se mélanger au carburant en fonctionnement, c'est-
à-dire des orifices du type de ceux référencés 76 en figure 3. Le flux d'air
délivré par la vrille aval est alors destiné à stabiliser la flamme dans la
chambre de combustion.
Le système d'injection précité peut comprendre une vrille purgeuse
destiné à la fois à balayer la tête de l'injecteur et la surface interne du
venturi (et ainsi à assurer une fonction de purge) et à se mélanger au
carburant amené par l'injecteur.
La vrille purgeuse selon l'invention comprend des aubages
sensiblement radiaux dont les bords de fuite radialement interne sont
inclinés d'amont en aval vers l'extérieur et s'étendent sur une surface
tronconique évasée vers l'aval autour de l'axe A du système d'injection.
La vrille purgeuse contenue dans un plan radial. Les canaux de la
vrille ont des faces radiales amont et aval qui sont sensiblement parallèles
entre elles et à un plan transversal perpendiculaire à l'axe A du système
d'injection.
Dans l'exemple représenté aux figures 8 à 10, les moyens 140 de
support de la tête 130 de l'injecteur et la vrille amont 134 ou interne sont
formés d'une seule pièce.
Les moyens de support 140 comporte une surface cylindrique
interne 174 dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont de la surface
tronconique 176 définie par les bords de fuite 178 des aubages 180 de la
vrille 134. Comme cela est mieux visible en figure 10, le bord de fuite 178
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
de chaque aubage 180 comprend une surface incurvée concave vers
l'intérieur et inclinée d'amont en aval vers l'extérieur.
Les moyens de support 140 comportent une paroi cylindrique 184
définissant intérieurement la surface cylindrique 174 précitée et reliée à son
5 extrémité amont à une paroi tronconique 182 évasée vers l'amont, et à son
extrémité aval à une paroi radiale 186 s'étendant vers l'extérieur.
Les aubages 180 de la vrille 134 sont reliés à leurs extrémités amont
à la paroi radiale 186 des moyens de support 140. Les canaux 188
délimités par les aubages 180 de la vrille sont formés par des fentes
10 débouchant axialement vers l'aval et obturées par une face radiale amont
d'un venturi 138 séparant la vrille 134 du bol 142.
De plus, les aubages 180 comprennent à leurs extrémités aval un
rebord périphérique externe 189 de forme cylindrique qui sert au centrage
et à l'accrochage de la vrille sur le venturi 138. Chaque aubage 180 de la
15 vrille 134 comporte un rebord périphérique externe en portion de
cylindre
(figures 9 et 10)
Comme cela est représenté en figure 8, les bords de fuite 178 des
aubages de la vrille 134 s'étendent parallèlement à la surface périphérique
externe de la nappe de carburant 191 qui est délivrée sous forme d'un cône
par l'injecteur.
Dans le cas où l'injecteur est équipé de deux circuits de carburant, il
peut fournir deux nappes de carburant coaxiales, une première nappe de
carburant 192 en forme de cône ayant un angle d'ouverture al et une
seconde nappe de carburant 191 coaxiale en forme de cône ayant un angle
d'ouverture a2 (supérieur à al). La première nappe de carburant 192 peut
être optimisée au démarrage du moteur et pour le régime plein gaz et la
seconde nappe 191 peut être optimisée pour la plage de régime allant du
démarrage au plein gaz.
Avantageusement, les bords de fuite 178 des aubages 180 de la
vrille 134 sont parallèles à la surface périphérique externe de la seconde
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
16
nappe de carburant 191, et forme donc un angle a2 avec l'axe A, a2 étant
par exemple compris entre 45 et 65 .
Les bords de fuite 178 des aubages 180 sont situés à une même
distance de la surface périphérique externe de la nappe 191. La quantité de
mouvement du flux d'air délivré par la vrille 134 est constante sur toute la
dimension axiale de la vrille. Ce flux d'air cisaille la nappe de carburant
191
de manière identique sur toute la dimension axiale de la vrille. De plus, la
partie 194 du flux d'air sortant au niveau des parties d'extrémité amont des
bords de fuite 178 des aubages 180 est destinée à purger l'extrémité de la
tête 130 de l'injecteur et à cisailler la nappe de carburant 191 sans
perturbation.
Dans l'exemple représenté, les canaux 188 de la vrille 134 ont une
section de forme carrée qui est constante sur toute la dimension radiale de
la vrille.
Comme cela est visible aux figures 8 à 10, un orifice axial 196 de
passage d'air est formé dans chaque aubage 180 et communique avec un
orifice axial 197 de passage d'air du venturi 138. Les orifices 196
débouchent à leurs extrémités amont sur la face radiale amont de la paroi
radiale 186 des moyens de centrage, et les orifices 197 débouchent à leurs
extrémités aval radialement à l'extérieur du venturi 138. L'air 198 qui sort
des orifices 197 est destiné à circuler sur la surface externe du venturi et à
former un film d'air de purge de la surface radialement interne du bol 142,
pour empêcher le dépôt de coke sur cette surface.
Le bol mélangeur 142 du système d'injection est monté en aval de la
vrille 136 et comporte, comme dans la technique antérieure, une paroi
sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à
un rebord cylindrique 152, s'étendant vers l'amont. La paroi tronconique
comporte une rangée annulaire d'orifices 156 de passage d'air, s'étendant
autour de l'axe A. Le rebord 152 comporte une rangée annulaire d'orifices
158 de passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter sur une
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
17
collerette annulaire 159 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis
l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol.
Les rangées d'orifices 156, 158 sont situées sur des circonférences
dont les diamètres sont sensiblement égaux ou supérieurs au diamètre
externe maximal des moyens de support 140 et de la vrille 134. Le flux d'air
161 qui alimente ces orifices ne contourne donc pas le système d'injection
ce qui limite les perturbations de ce flux et optimise l'alimentation des
orifices 156, 158.
L'invention permet (par la suppression des orifices de purge), pour
une perméabilité donnée du système d'injection, d'optimiser avec précision
le diamètre des orifices 156, 158 du bol mélangeur et les dimensions des
canaux des vrilles 134, 136. Dans un cas particulier de réalisation de
l'invention, les sections cumulées des orifices 158 du bol mélangeur et des
canaux de la vrille externe 136 représente 20 à 30% de la perméabilité
totale du système, les sections cumulées des orifices 156 du bol mélangeur
et des canaux 188 de la vrille interne 134 représentant 70 à 80% de cette
perméabilité. 70 à 80% du débit d'air alimentant le système d'injection est
donc destiné à se mélanger au carburant amené par l'injecteur.
Dans la variante de réalisation des figures 11 et 12, le système
d'injection diffère de celui précédemment décrit en ce que les canaux 288
de sa vrille interne 234 ont une section qui diminue radialement de
l'extérieur vers l'intérieur.
La largeur L1 ou dimension circonférentielle de chaque canal 288 au
niveau des extrémités aval des bords de fuite 276 des aubages 280
s'étendant de part et d'autre de ce canal, est supérieure à celle de ce
même canal au niveau des extrémités amont des bords de fuite précités
(figure 11).
La section de sortie de l'air au niveau des bords de fuite 276 des
aubages 280 est donc plus importante au niveau des extrémités aval des
bords de fuite qu'a leurs extrémités amont. Du fait que cette section est
calibrante, la quantité de mouvement de l'air est plus importante à
CA 02835361 2013-11-07
WO 2012/156631
PCT/FR2012/051056
18
l'extrémité aval de la vrille qu'a son extrémité amont (flèches 294) et
augmente de manière régulière entre son extrémité amont et son extrémité
aval du fait de l'augmentation de la largeur de sortie des canaux entre ces
extrémités.
Dans encore une autre variante non représentée, la section des
canaux de la vrille interne du système d'injection peut avoir une forme
rectangulaire ou trapézoïdale, et non pas carrée comme dans les exemples
décrits ci-dessus. Dans le cas où cette section est trapézoïdale, chaque
aube de la vrille peut avoir ses faces latérales qui convergent de l'aval vers
l'amont.
