CA2207831C - Systeme d'injection a degre d'homogeneisation avancee - Google Patents
Systeme d'injection a degre d'homogeneisation avancee Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un système d'injection d'air et de carburant, à degré d'homogénéisation avancée, dans une chambre de combustion, notamment de turbomachine. Un injecteur de carburant (2) d'axe A injecte du carburant dans une chambre de prémélange (3) délimitée par le contour interne 5 convergent divergent d'une douille (6) disposée en amont d'un bol (8). Trois vrilles sont prévus d'amont en aval : une première vrille (10) radiale en amont de la douille, une deuxième vrille radiale (14a, 14b) dans la partie amont (12) de la douille (6) et une troisième vrille axiale (18a, 18b) à la périphérie aval de la douille (6). Cette troisième vrille est alimentée par des passages (16a, 16b) alterna nt avec les passages (14a, 14b) de la deuxième vrille radiale.
Description
L'invention concerne l'alimentation en carburant et en air primaire d'une chambre de combustion, notamment pour turbomachines.
Dans les turbomachines aéronautiques, la grande plage de fonctionnement et les spécifications de plus en plus sévères concernant les diverses performances de la chambre de combustion conduisent à
des compromis de plus en plus délicats à réaliser.
Un exemple typique de performances antagonistes est celui de la stabilité de flamme au ralenti et la nécessité d'éviter les fumées et l'émission d'oxydes d'azote au plein gaz. Ainsi le système d'injection de carburant et d'air doit assurer une combustion correcte à des régimes et dans des conditions très diverses.
Il est donc impératif d'homogénéiser au mieux la carburation tout en respectant le profil radial des températures en sortie de chambre, afin d'éviter des contraintes thermiques inacceptables sur la roue de turbine.
FR-A-2 596 102 montre en figure 18 un injecteur mécanique qui comporte une vrille possédant un nombre pair d'ailettes délimitant un nombre égal de passages d'entrée d'air, un passage sur deux étant à
entrée radiale afin de débiter un flux d'air autour du canal d'injection de carburant pour constituer un premier mélange dans une chambre délimitée par une douille à contour interne convergent/divergent, les autres passages étant à entrée axiale et débitant un flux d'air à la périphérie aval de la douille.
Cette alternance des canaux d'alimentation de l'air limite la perméabilité de la vrille de prémélange.
La présente invention se propose de réaliser un dispositif d'injection mécanique associé à des vrilles de prémélange à forte perméabilité qui permette de répondre aux critères de pollution et de performances, aux différents régimes, imposés aux motoristes.
L'invention concerne donc un dispositif d'injection d'air et de carburant dans une chambre de combustion, notamment de turbomachine, ledit dispositif comportant d'amont en aval, un injecteur de carburant d'axe A, une douille formant venturi disposé coaxialement à l'axe A et présentant un contour interne convergent/divergent délimitant une chambre de prémélange dans laquelle le carburant est injecté, un bol évasé vers l'aval et présentant en amont un manchon pour sa fixation autour de la douille, et des moyens pour injecter l'air de pulvérisation du carburant.
Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé par le fait que les moyens pour injecter l'air de pulvérisation du carburant comportent une première vrille radiale à forte perméabilité disposée en amont de la douille et permettant de réaliser un premier mélange air-carburant dans la chambre de prémélange, une deuxième vrille radiale présentant une pluralité de canaux ménagés dans la partie amont de la douille et débouchant dans le contour interne convergent, ladite deuxième vrille étant destinée à assurer une carburation homogène dans le venturi, et une troisième vrille axiale disposée à la périphérie de la partie aval de la douille, et par le fait que les sorties axiales de la troisième vrille alternent circonférentiellement avec les sorties radiales de la deuxième vrille.
De préférence, les entrées de la troisième vrille sont alimentées en air par des passages radiaux ménagés dans la partie amont de la douille et alternant avec les canaux de la deuxième vrille.
De façon avantageuse la troisième vrille est formé par des rainures ménagées dans la paroi périphérique de la douille, lesdites rainures étant recouvertes par le manchon de fixation du bol.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe selon des plans passant par Taxe de l'injecteur de carburant d'un dispositif d'injection selon l'invention, la partie située au-dessus de l'axe A étant une demi-coupe selon un plan passant par un passage de la deuxième vrille, et la partie située sous l'axe étant une demi-coupe selon un plan passant par un passage de la troisième vrille ;
la figure 2 montre (alternance des sorties des deuxième et troisième vrilles ;
la figure 3 est un développement circonférentiel du dispositif d'injection qui montre les calages tangentiels des trois vrilles et l'incidence tangentielle des flux délivrés par chaque vrille ;
la figure 4 est une variante de réalisation du dispositif montré à la figure 1 ;
la figure 5 est une coupe selon la ligne V-V de la ligne 4 ; et la figure 6 montre en perspective la douille formant venturi du dispositif de la figure 4.
Le dessin montre un dispositif d'injection d'air et de carburant l, de ce type mecanique, dans un chambre de combustion, non représentée, d'une turbomachine.
Ce dispositif 1 comporte un injecteur de carburant 2 d'axe A qui injecte du carburant vers l'aval dans une chambre de prémélange 3 disposée dans le fond de l'enceinte de combustion en amont de la zone primaire 4 de combustion.
La chambre de prémélange 3 est délimitée par le contour interne 5 d'une douille 6 coaxiale à l'axe A. Ce contour interne 5 est prolongé
vers (aval par une paroi évasée 7 d'un bol 8 traditionnel. Ix bol 8 comporte en amont de la paroi évasée 7 un manchon 9 permettant sa fixation sur la douille 6. Le bol 8 est monté de manière connue dans un orifice prévu dans le fond de la chambre de combustion.
Ainsi qu'on le voit sur les figures 1 et 4, entre l'extrémité amont de la douille 6 et l'extrémité aval de l'injecteur de carburant 2 est interposé une première vrille radiale 10 portée par un anneau de centrage 11 de l'injecteur de carburant 2.
Le contour interne 5 de la douille 6 est convergent/divergent de l'amont vers l'aval et constitue un venturi.
Dans la partie amont 12 de la douille 6 située au droit de la zone convergente du contour 5 sont ménagés deux séries de passages alternés et délimités par des ailettes 13.
Les passages 14a, 14b de la première série de passages sont radiaux, traversent de part en part la partie amont 12 de la douille 6 et débouchent en amont du col 15 du venturi.
Les passages 16a, 16b de la deuxième série de passages, alternant avec les passages 14a, 14b, s'étendent depuis la périphérie de la partie amont 12 de la douille 6, jusqu'à une zone située radialement à
l'intérieur du manchon 9 du bol 8, où ils obliquent axialement vers l'aval.
A la périphérie de la partie aval 17 de la douille 6, située au droit du contour interne divergent du contour 5, et radialement à l'intérieur du manchon 9 du bol 8 sont ménagées des rainures axiales 18a, 18b, de section rectangulaire qui prolongent les passages 16a, 16b de la deuxième série de passages et qui débouchent à la périphérie aval de la douille 6.
Les passages 14a, 14b constituent une deuxième vrille radiale destinée à injecter de l'air dans la chambre du prémélange 3, et les rainures 18a, 18b, recouvertes par le manchon 9 du bol 8 constituent une troisième vrille axiale.
Par construction, et ainsi que cela est montré clairement sur la figure 2, les sorties de la troisième vrille axiale sont alternées circonférentiellement avec les sorties de la deuxième vrille radiale.
Le nombre de passages 14a, 14b est égal au nombre de passage 16a,16b. De préférence, ainsi que cela se voit sur la figure 3, le nombre de passages de la première vrille 10 est égale au nombre total de passage 14a, 14b ; 16a, 16b ménagés dans la partie amont 12 de la douille 6. La première vrille 10 a donc une forte perméabilité.
Les ailettes 13 sont calées tangentiellement d'un angle a compris entre 30 et 40' par rapport à l'axe A de l'injecteur de carburant 2. Les axes des orifices de sortie des passages 14a, 14b de la deuxième vrille sont également inclinés d'un angle (3 par rapport à la radiale en ces points. La deuxième vrille crée donc un mouvement tourbillonnant dans le venturi.
Les ailettes 20 de la première vrille radiale 10 sont également calées de manière radiale, et de préférence la première vrille 10 et la deuxième vrille sont contrarotatives.
La première vrille radiale 10 permet de réaliser un premier prémélange dans le fond de la chambre de prémélange 3. Elle fait en plus office de purge.
La deuxième vrille radiale, calée tangentiellement et également de manière radiale, assure une carburation homogène dans le venturi.
3o Pour cela, l'incidence tangentielle de la deuxième vrille radiale doit faire un angle de 60' à 90' par rapport à la composante tangentielle du premier mélange.
Le calage de la troisième vrille axiale est déterminée par l'aubage axial situé à sa sortie, c'est-à-dire par l'angle des parois latérales des rainures 18a, 18b par rapport à l'axe A.
La sortie de la troisième vrille axiale peut être corotative ou contrarotative par rapport à la composante tangentielle du tourbillon dans le venturi en fonction de la nappe carburée désirée.
De plus, l'inclinaison tangentielle de la troisième vrille est 5 fonction de la technologie de bol utilisée, selon qu'il s'agit d'un bol avec des orifices conventionnels, un bol avec des orifices tourbillonnant corotatifs ou contrarotatifs ou d'un bol sans orifices.
Le rapport des vitesses de l'air injecté par la troisième vrille et du mélange à la sortie du venturi doit être compris entre 0,8 et 1,6, ce rapport étant dépendant de la technologie de bol utilisée.
Dans les turbomachines aéronautiques, la grande plage de fonctionnement et les spécifications de plus en plus sévères concernant les diverses performances de la chambre de combustion conduisent à
des compromis de plus en plus délicats à réaliser.
Un exemple typique de performances antagonistes est celui de la stabilité de flamme au ralenti et la nécessité d'éviter les fumées et l'émission d'oxydes d'azote au plein gaz. Ainsi le système d'injection de carburant et d'air doit assurer une combustion correcte à des régimes et dans des conditions très diverses.
Il est donc impératif d'homogénéiser au mieux la carburation tout en respectant le profil radial des températures en sortie de chambre, afin d'éviter des contraintes thermiques inacceptables sur la roue de turbine.
FR-A-2 596 102 montre en figure 18 un injecteur mécanique qui comporte une vrille possédant un nombre pair d'ailettes délimitant un nombre égal de passages d'entrée d'air, un passage sur deux étant à
entrée radiale afin de débiter un flux d'air autour du canal d'injection de carburant pour constituer un premier mélange dans une chambre délimitée par une douille à contour interne convergent/divergent, les autres passages étant à entrée axiale et débitant un flux d'air à la périphérie aval de la douille.
Cette alternance des canaux d'alimentation de l'air limite la perméabilité de la vrille de prémélange.
La présente invention se propose de réaliser un dispositif d'injection mécanique associé à des vrilles de prémélange à forte perméabilité qui permette de répondre aux critères de pollution et de performances, aux différents régimes, imposés aux motoristes.
L'invention concerne donc un dispositif d'injection d'air et de carburant dans une chambre de combustion, notamment de turbomachine, ledit dispositif comportant d'amont en aval, un injecteur de carburant d'axe A, une douille formant venturi disposé coaxialement à l'axe A et présentant un contour interne convergent/divergent délimitant une chambre de prémélange dans laquelle le carburant est injecté, un bol évasé vers l'aval et présentant en amont un manchon pour sa fixation autour de la douille, et des moyens pour injecter l'air de pulvérisation du carburant.
Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé par le fait que les moyens pour injecter l'air de pulvérisation du carburant comportent une première vrille radiale à forte perméabilité disposée en amont de la douille et permettant de réaliser un premier mélange air-carburant dans la chambre de prémélange, une deuxième vrille radiale présentant une pluralité de canaux ménagés dans la partie amont de la douille et débouchant dans le contour interne convergent, ladite deuxième vrille étant destinée à assurer une carburation homogène dans le venturi, et une troisième vrille axiale disposée à la périphérie de la partie aval de la douille, et par le fait que les sorties axiales de la troisième vrille alternent circonférentiellement avec les sorties radiales de la deuxième vrille.
De préférence, les entrées de la troisième vrille sont alimentées en air par des passages radiaux ménagés dans la partie amont de la douille et alternant avec les canaux de la deuxième vrille.
De façon avantageuse la troisième vrille est formé par des rainures ménagées dans la paroi périphérique de la douille, lesdites rainures étant recouvertes par le manchon de fixation du bol.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe selon des plans passant par Taxe de l'injecteur de carburant d'un dispositif d'injection selon l'invention, la partie située au-dessus de l'axe A étant une demi-coupe selon un plan passant par un passage de la deuxième vrille, et la partie située sous l'axe étant une demi-coupe selon un plan passant par un passage de la troisième vrille ;
la figure 2 montre (alternance des sorties des deuxième et troisième vrilles ;
la figure 3 est un développement circonférentiel du dispositif d'injection qui montre les calages tangentiels des trois vrilles et l'incidence tangentielle des flux délivrés par chaque vrille ;
la figure 4 est une variante de réalisation du dispositif montré à la figure 1 ;
la figure 5 est une coupe selon la ligne V-V de la ligne 4 ; et la figure 6 montre en perspective la douille formant venturi du dispositif de la figure 4.
Le dessin montre un dispositif d'injection d'air et de carburant l, de ce type mecanique, dans un chambre de combustion, non représentée, d'une turbomachine.
Ce dispositif 1 comporte un injecteur de carburant 2 d'axe A qui injecte du carburant vers l'aval dans une chambre de prémélange 3 disposée dans le fond de l'enceinte de combustion en amont de la zone primaire 4 de combustion.
La chambre de prémélange 3 est délimitée par le contour interne 5 d'une douille 6 coaxiale à l'axe A. Ce contour interne 5 est prolongé
vers (aval par une paroi évasée 7 d'un bol 8 traditionnel. Ix bol 8 comporte en amont de la paroi évasée 7 un manchon 9 permettant sa fixation sur la douille 6. Le bol 8 est monté de manière connue dans un orifice prévu dans le fond de la chambre de combustion.
Ainsi qu'on le voit sur les figures 1 et 4, entre l'extrémité amont de la douille 6 et l'extrémité aval de l'injecteur de carburant 2 est interposé une première vrille radiale 10 portée par un anneau de centrage 11 de l'injecteur de carburant 2.
Le contour interne 5 de la douille 6 est convergent/divergent de l'amont vers l'aval et constitue un venturi.
Dans la partie amont 12 de la douille 6 située au droit de la zone convergente du contour 5 sont ménagés deux séries de passages alternés et délimités par des ailettes 13.
Les passages 14a, 14b de la première série de passages sont radiaux, traversent de part en part la partie amont 12 de la douille 6 et débouchent en amont du col 15 du venturi.
Les passages 16a, 16b de la deuxième série de passages, alternant avec les passages 14a, 14b, s'étendent depuis la périphérie de la partie amont 12 de la douille 6, jusqu'à une zone située radialement à
l'intérieur du manchon 9 du bol 8, où ils obliquent axialement vers l'aval.
A la périphérie de la partie aval 17 de la douille 6, située au droit du contour interne divergent du contour 5, et radialement à l'intérieur du manchon 9 du bol 8 sont ménagées des rainures axiales 18a, 18b, de section rectangulaire qui prolongent les passages 16a, 16b de la deuxième série de passages et qui débouchent à la périphérie aval de la douille 6.
Les passages 14a, 14b constituent une deuxième vrille radiale destinée à injecter de l'air dans la chambre du prémélange 3, et les rainures 18a, 18b, recouvertes par le manchon 9 du bol 8 constituent une troisième vrille axiale.
Par construction, et ainsi que cela est montré clairement sur la figure 2, les sorties de la troisième vrille axiale sont alternées circonférentiellement avec les sorties de la deuxième vrille radiale.
Le nombre de passages 14a, 14b est égal au nombre de passage 16a,16b. De préférence, ainsi que cela se voit sur la figure 3, le nombre de passages de la première vrille 10 est égale au nombre total de passage 14a, 14b ; 16a, 16b ménagés dans la partie amont 12 de la douille 6. La première vrille 10 a donc une forte perméabilité.
Les ailettes 13 sont calées tangentiellement d'un angle a compris entre 30 et 40' par rapport à l'axe A de l'injecteur de carburant 2. Les axes des orifices de sortie des passages 14a, 14b de la deuxième vrille sont également inclinés d'un angle (3 par rapport à la radiale en ces points. La deuxième vrille crée donc un mouvement tourbillonnant dans le venturi.
Les ailettes 20 de la première vrille radiale 10 sont également calées de manière radiale, et de préférence la première vrille 10 et la deuxième vrille sont contrarotatives.
La première vrille radiale 10 permet de réaliser un premier prémélange dans le fond de la chambre de prémélange 3. Elle fait en plus office de purge.
La deuxième vrille radiale, calée tangentiellement et également de manière radiale, assure une carburation homogène dans le venturi.
3o Pour cela, l'incidence tangentielle de la deuxième vrille radiale doit faire un angle de 60' à 90' par rapport à la composante tangentielle du premier mélange.
Le calage de la troisième vrille axiale est déterminée par l'aubage axial situé à sa sortie, c'est-à-dire par l'angle des parois latérales des rainures 18a, 18b par rapport à l'axe A.
La sortie de la troisième vrille axiale peut être corotative ou contrarotative par rapport à la composante tangentielle du tourbillon dans le venturi en fonction de la nappe carburée désirée.
De plus, l'inclinaison tangentielle de la troisième vrille est 5 fonction de la technologie de bol utilisée, selon qu'il s'agit d'un bol avec des orifices conventionnels, un bol avec des orifices tourbillonnant corotatifs ou contrarotatifs ou d'un bol sans orifices.
Le rapport des vitesses de l'air injecté par la troisième vrille et du mélange à la sortie du venturi doit être compris entre 0,8 et 1,6, ce rapport étant dépendant de la technologie de bol utilisée.
Claims (6)
1. Dispositif d'injection d'air et de carburant dans une chambre de combustion, notamment de turbomachine, ledit dispositif comportant d'amont en aval, un injecteur de carburant (2) d'axe A, une douille (6) formant venturi disposé coaxialement à l'axe A et présentant un contour interne (5) convergent/divergent de l'amont vers l'aval, délimitant une chambre de prémélange (3) dans laquelle le carburant est injecté, un bol (8) évasé vers l'aval et présentant en amont un manchon (9) pour sa fixation autour de la douille (6), et des moyens pour injecter l'air de pulvérisation du carburant, caractérisé par le fait que les moyens pour injecter l'air de pulvérisation du carburant comportent une première vrille radiale (10) à forte perméabilité disposée en amont de la douille (6) et permettant de réaliser un premier mélange air-carburant dans la chambre de prémélange (3), une deuxième vrille radiale présentant une pluralité de canaux (14a, 14b) ménagés dans une partie amont (12) de la douille (6) et débouchant dans le contour interne convergent (5), ladite deuxième vrille étant destinée à assurer une carburation homogène dans le venturi, et une troisième vrille axiale (18a, 18b) disposée à la périphérie de la partie aval (17) de la douille (6), et par le fait que les sorties axiales de la troisième vrille (18a, 18b) alternent circonférentiellement avec les sorties radiales de la deuxième vrille.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les entrées de la troisième vrille (18a, 18b) sont alimentées en air par des passages radiaux (16a, 16b) ménagés dans la partie amont (12) de la douille (6) et alternant avec les canaux (14a, 14b) de la deuxième vrille.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé par le fait que la troisième vrille est formée par des rainures ((18a, 18b) ménagées dans la paroi périphérique de la douille (6), lesdites rainures (18a, 18b) étant recouvertes par le manchon (9) de fixation du bol (8).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé par le fait que la première vrille (10) et la deuxième vrille (14a, 14b) sont contrarotatives.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'incidence tangentielle de l'air injectée par la deuxième vrille (14a, 14b) dans la chambre de prémélange (3) fait un angle compris entre 60° et 90° avec la composante tangentielle du premier mélange.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la deuxième vrille(14a, 14b) est calée tangentiellement et radialement.
Applications Claiming Priority (2)
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| FR96.10823 | 1996-09-05 | ||
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| CA2207831A1 CA2207831A1 (fr) | 1998-03-05 |
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Family Applications (1)
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| CA002207831A Expired - Fee Related CA2207831C (fr) | 1996-09-05 | 1997-08-04 | Systeme d'injection a degre d'homogeneisation avancee |
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| EP (1) | EP0828115B1 (fr) |
| JP (1) | JP3954165B2 (fr) |
| CA (1) | CA2207831C (fr) |
| DE (1) | DE69724054T2 (fr) |
| FR (1) | FR2752917B1 (fr) |
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