EP1512913B1 - Système d'injection air/carburant ayant des moyens de génération de plasmas froids - Google Patents

Système d'injection air/carburant ayant des moyens de génération de plasmas froids Download PDF

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EP1512913B1
EP1512913B1 EP04292036A EP04292036A EP1512913B1 EP 1512913 B1 EP1512913 B1 EP 1512913B1 EP 04292036 A EP04292036 A EP 04292036A EP 04292036 A EP04292036 A EP 04292036A EP 1512913 B1 EP1512913 B1 EP 1512913B1
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EP
European Patent Office
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air
fuel
downstream
cold plasma
fuel injector
Prior art date
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EP04292036A
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German (de)
English (en)
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EP1512913A1 (fr
Inventor
Michel Cazalens
Frédéric Beule
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99005—Combustion techniques using plasma gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K2300/00—Pretreatment and supply of liquid fuel
    • F23K2300/10—Pretreatment
    • F23K2300/101—Application of magnetism or electricity

Definitions

  • the present invention relates to the general field of injection systems of an air / fuel mixture for a turbomachine combustion chamber. It is more particularly an injection system provided with a cold plasma generator capable of controlling the reactivity of the air / fuel mixture during its injection into the combustion chamber.
  • the classic process for developing and optimizing a combustion chamber of a turbomachine has the main objective of reconciling the implementation of the operational performances of the chamber (combustion efficiency, stability range, ignition range and relight, life of the combustion chamber, etc.) depending on the mission envisaged for the aircraft on which the turbomachine is mounted while minimizing pollutant emissions (nitrogen oxides, carbon monoxide, unburned hydrocarbons, etc. .).
  • pollutant emissions nitrogen oxides, carbon monoxide, unburned hydrocarbons, etc. .
  • the combustion chamber of a turbomachine typically consists of several systems: a system for injecting an air / fuel mixture into a flame tube, a cooling system and a dilution system.
  • the combustion is organized mainly within a first part of the flame tube (primary zone) in which it is stabilized by means of zones of recirculation of the air / fuel mixture induced by the flow of air coming from the system. injection.
  • first part of the flame tube primary zone
  • various physical phenomena are used: injection and atomization in fine droplets of the fuel, evaporation of the droplets, mixing of the fuel vapors with the air and chemical reactions of oxidation of the fuel by the oxygen from the air.
  • the chemical activity used is lower and the flow is diluted by means of dilution holes.
  • staged combustion Concept
  • multipoint injection systems
  • Staged double-head combustion chambers are chambers whose fuel injectors are distributed on a so-called “pilot” head and on a so-called “take-off” head.
  • the pilot head operates continuously and thus prevents the firebox from extinguishing, while the takeoff head is designed to reduce NOx emissions.
  • a stepped double head chamber remains difficult to fly and expensive given the doubling of the number of fuel injectors compared to a conventional single head combustion chamber.
  • multipoint air / fuel mixture injection systems are systems in which the air and fuel injection is effected by several independent conduits and is regulated according to the operating speed of the turbomachine.
  • the main feature of such multipoint injection systems lies in the complexity of the different fuel systems and the control system.
  • the main purpose of the present invention is thus to overcome such drawbacks by proposing an injection system for an air / fuel mixture for a combustion chamber which makes it possible to increase the resistance of the combustion chamber to extinction while maintaining a simple architecture and limiting polluting emissions.
  • an injection system for an air / fuel mixture for a turbomachine combustion chamber comprising a hollow tubular structure for the flow of the air / fuel mixture to the combustion chamber, means for fuel injection disposed at an upstream end of the hollow tubular structure, and air injection means arranged downstream of the fuel injection means, characterized in that it further comprises means for generating plasmas coolers disposed downstream of the air injection means to generate active species in the flow of the air / fuel mixture and to achieve a pre-breaking of the molecules of the air / fuel mixture, and control means of the means of generation of cold plasmas as a function of the operating speed of the turbomachine.
  • the cold plasma generator makes it possible to adapt the characteristic times of the chemical reactions according to the cooling regime. operation of the turbomachine.
  • the control of the characteristic times of chemical reactions is ensured by the production and injection of active species (free-radical species and excited species) in the flow of the air / fuel mixture and by pre-breaking of the air and fuel molecules. .
  • the means for generating cold plasmas can be adapted to aeromechanical injection systems as well as to aerodynamic type injection systems.
  • the means for generating cold plasmas may comprise at least one pair of electrodes connected to an alternating current generator which is controlled by the control means.
  • these cold plasma generation means may comprise a solenoidal winding connected to an alternating current generator which is also controlled by the control means.
  • the present invention makes it easy to adapt to known systems for injecting an air / fuel mixture without leading to major transformations of these injection systems.
  • the cold plasma generation means can be associated with one or all injection systems of the same combustion chamber, which improves the operation of existing combustion chambers.
  • the injection system according to the present invention can also operate for operating points of the turbomachine where the combustion is stabilized so that the combustion efficiency is increased for these points. For example, if we consider a re-ignition point at altitude in auto-rotation, the volume of the focus must be sufficient to ensure a combustion efficiency for the turbomachine to accelerate. Under these conditions, the present invention makes it possible to reduce the volume of combustion fires and thus to reduce the mass of the turbomachine.
  • the present invention makes it possible to simplify the ignition systems of the combustion chamber by integrating this function with the injection system.
  • the ignition is in fact carried out by the means for generating cold plasmas powered with a suitable energy and frequency. It is thus possible to remove the traditional devices spark ignition and avoid the problems associated with them (cooling of the body and nose of the candle, disruption of the cooling of the home, life of the candle, etc.. ).
  • the figure 1 represents, in longitudinal section, an injection system according to one embodiment of the invention.
  • the injection system is of the aeromechanical type.
  • the longitudinal axis injection system XX essentially consists of a tubular structure for the flow of a mixture air / fuel to the focus of a combustion chamber 12 of a turbomachine. This air / fuel mixture is intended to be burned in the combustion chamber 12.
  • the combustion chamber 12 is for example of the annular type. It is delimited by two annular walls (not represented on the figure 1 ) spaced radially from the axis of the turbomachine and connected upstream by a chamber bottom 14.
  • the chamber bottom 14 has a plurality of openings 16 regularly spaced circularly about the axis of the turbomachine. In each of these openings 16 is mounted an injection system 10 according to the invention.
  • the gases resulting from the combustion of the air / fuel mixture flow downstream into the combustion chamber 12 to feed a high-pressure turbine (not shown) disposed at the outlet of the combustion chamber.
  • An annular deflector 18 is mounted in the opening 16 via a sleeve 20. This deflector is mounted parallel to the chamber bottom 14 and acts as a heat shield against the radiation of the combustion flame.
  • a bowl 22 is mounted inside the sleeve 20.
  • This bowl 22 has a wall 22a flared downstream in the extension of a substantially cylindrical wall 22b arranged coaxially with the longitudinal axis XX of the injection system 10. Through its opening angle, the bowl 22 distributes the air / fuel mixture in the primary zone of the combustion chamber.
  • the flared wall 22a of the bowl has a plurality of holes 24 for introducing air into the combustion chamber. These holes 24 make it possible to refocus the flow of the air / fuel mixture around the longitudinal axis X-X at the outlet of the bowl.
  • the bowl 22 has an annular collar 25 which extends parallel to the chamber bottom 14. As for the deflector 18, this collar 25 forms a heat shield between the radiation of the combustion flame and the bowl 22. The collar is cooled by impact of air passing through holes 25a through the flared wall 22a of the bowl.
  • the cylindrical wall 22b of the bowl 22 surrounds a venturi 26 having an internal contour of convergent divergent shape.
  • the venturi 26 makes it possible to delimit the air flows coming from an internal swirler 28 and of an external swirler 30.
  • the venturi 26 comprises a radial flange 26a separating the internal swirler 28 and the external swirler 30.
  • the internal swirler 28 is of radial type. It is arranged upstream of the venturi 26 and delivers an internal radial air flow inside the venturi.
  • the external swirler 30 is also of the radial type. It is disposed upstream of the cylindrical wall 22b of the bowl 22 and delivers an external radial air flow between the venturi 26 and the cylindrical wall 22b of the bowl 22.
  • the internal 28 and external 30 swirlers rotate the flow of the mixture air / fuel and thus increase turbulence and shear to promote the atomization of fuel and its mixture with air.
  • the internal swirler 28 is secured to a retaining piece 32 having an annular groove 34 open on the side of the longitudinal axis X-X of the injection system.
  • a support ring 36 is mounted in the annular groove 34. This support ring 36 allows the attachment of the downstream end of a fuel injector 38 centered on the longitudinal axis X-X of the injection system.
  • the bearing ring 36 can move radially in the annular groove 34 in order to allow a clearance that can be generated by the thermal stresses to which the various elements of the injection system 10 are subjected.
  • the support ring 36 In its portion in contact with the fuel injector 38, the support ring 36 is pierced with a plurality of orifices 40 regularly spaced circularly around the longitudinal axis X-X of the injection system. These orifices 40 serve the purpose of purging by ventilating the fuel nozzle 38 and avoiding the formation of coke at the downstream end thereof.
  • the bearing ring 36, the internal 28 and external 30 tendrils, the venturi 26 and the bowl 22 thus form the hollow tubular structure 41 of the injection system 10 in which flows the air / fuel mixture.
  • the fuel injector 38 is secured upstream of an injector arm (not shown). After it flows into the injector arm, the fuel is sprayed by the injector 38 in the form of a fuel cone which partly hits the venturi 26. Once sprayed, the fuel is mixed with the air internal and external 28 and 30 jibs and holes 24 of the bowl 22.
  • the fuel is sprayed in the form of fine droplets under the effect of aerodynamic shear from differences in the velocities of the liquid flow and the gas flow.
  • the air / fuel mixture thus formed is then introduced into the combustion chamber 12 to be burned.
  • the injection system 10 further comprises means for generating cold plasmas in order to generate active species in the flow of the air / fuel mixture and to perform a pre-breaking of the molecules of the air / fuel mixture.
  • Control means are also provided in order to control these means for generating cold plasmas as a function of the operating speed of the turbomachine.
  • these cold plasma generation means may be arranged either around the downstream end of the venturi 26 (implantation A), or around the upstream end of the bowl 22 (implantation B), or around the downstream end of the venturi 26 and around the upstream end of the bowl 22 (implantation C).
  • the Figure 2A illustrates the implantation A means for generating cold plasmas around the downstream end of the venturi 26. This figure shows schematically, in front view, the circular downstream end of the venturi.
  • the means for generating cold plasmas are formed by at least one pair of electrodes 42 disposed on the circumference of the downstream end of the venturi 26. These electrodes 42 are connected by means of electrical wires 44 to a AC generator 46. The current generator is controlled by a control system 48 described later.
  • the electrodes 42 are disposed on the same diameter of the venturi 26, that is to say that they are aligned radially with respect to each other. However, as shown dashed by the pair of electrodes 42 ', the latter can be offset radially relative to each other by being arranged on different radii of the venturi 26.
  • the number of electrode pairs may be greater. These electrodes are then distributed angularly around the circumference of the venturi, for example in a uniform manner. Moreover, in the case of several couples electrodes, these couples can be powered by the AC generator 46 simultaneously or sequentially.
  • the cold plasma generation means can also be made in the form of a solenoidal winding connected to the alternating current generator.
  • the outer surface of the venturi has a solenoidal winding.
  • the implantation of the cold plasma generation means around the upstream end of the bowl 22 corresponds to the implantation A described above and will therefore not be repeated.
  • the Figure 2B illustrates the implantation C cold plasma generation means around the downstream end of the venturi 26 and around the upstream end of the bowl 22.
  • the venturi 26 and the bowl 22 each have a substantially circular cross section and are arranged concentrically with respect to each other.
  • the means for generating cold plasmas are formed by at least one pair of electrodes 42, one of which is disposed on the circumference of the downstream end of the venturi 26 and the other electrode is disposed on the circumference of the upstream end of the bowl 22.
  • These electrodes 42 are also connected by means of electrical wires 44 to an alternating current generator 46 controlled by a control system 48.
  • the electrodes 42 are disposed on the same radius of the ring defined by the downstream end of the venturi 26 and the upstream end of the bowl 22, that is to say that they are aligned radially with respect to the other. However, as shown dashed by the pair of electrodes 42 ', the latter can be offset radially relative to each other by being arranged on different radii of the ring.
  • the number of electrode pairs may be greater depending on the nature and the need of the application.
  • the arrangement of these pairs of electrodes may vary on the circumference of the venturi and the bowl.
  • the electrode pairs can also be powered simultaneously or sequentially.
  • the pairs of electrodes make it possible to create, via the alternating current generator 46 connected to the control system 48, an electric discharge in the air / fuel mixture flowing between the electrodes ( or inside the solenoid winding).
  • the parameters of the alternating current generator 46 are controlled by the control system 48 as a function of the operating speed of the turbomachine, with respect to the active species (radical species, excited species) that one wishes to produce, compared to the desired degree of pre-breaking of the molecules of air and fuel and with respect to the intended function (ignition, reignition at altitude, extension of the stability domain, active control of the combustion chamber, etc.).
  • the AC generator 46 has the particularity of allowing the generation of so-called "cold” plasmas.
  • cold plasmas are characterized by an electric discharge of the "streamer” type, that is to say by propagation of an ionization front.
  • Cold plasmas are also characterized by a thermodynamic imbalance in which the temperature of the electrons emitted during the electric discharge is very high compared to that of the air / fuel mixture passing through the electric discharge. This feature has the main advantage of allowing the production of radical species active in the flow of the air / fuel mixture with less energy expenditure than with hot plasmas.
  • Such an alternating current generator 46 making it possible to generate cold plasmas results in particular in a duration electrical pulses between 2 and 50 nanoseconds, and preferably between 2 and 30 nanoseconds.
  • an electric current generator for the production of hot plasmas delivers electrical pulses typically having a duration of the order of one hundred microseconds.
  • control system 48 can use information captured in real time inside the combustion chamber.
  • an instability detector placed in the combustion chamber.
  • Such an instability detector measures the pressure (or any other parameter) inside the combustion chamber and transmits it in real time to the control system.
  • an optical detector of the combustion flame Such an optical detector thus makes it possible to inform the control system in real time in the event of extinction of the combustion flame.
  • the injection system is also of the aeromechanical type so that only the differences existing with the injection system illustrated by FIG. figure 1 .
  • this injection system is of the LLP (for "Lean Premixed Prevaporized") type.
  • the longitudinal axis injection system 50 YY essentially consists of a hollow tubular structure 51 for the flow of an air / fuel mixture to the combustion chamber firebox 12 of a turbomachine.
  • this bowl 56 can supply the combustion chamber with a homogeneous lean air / fuel mixture in order to avoid the establishment in the home stoichiometric combustion conditions generating emissions NOx type.
  • the bowl 56 surrounds a first venturi 58.
  • This first venturi 58 has the function of guiding air through holes 60 formed through the cylindrical wall 56c of the bowl 56, at its upstream end. This air is intended to cool the bowl 56 by flowing along the inner face thereof.
  • the first venturi 58 surrounds a second venturi 62 having an internal contour of convergent divergent shape.
  • the second venturi 62 defines the air flows coming from a radial internal swirler 64 and a radial external swirler 66.
  • the internal swirler 64 delivers a radial air flow inside the second venturi 62 and the external swirler 66 delivers a radial air flow between the first venturi 58 and the second venturi 62.
  • the means for generating cold plasmas for generating active species in the flow of the air / fuel mixture and for pre-breaking the molecules of the air / fuel mixture are arranged around the downstream end. of the bowl 56 (implantation D on the figure 3 ).
  • the implantation D cold plasma generation means around the downstream end of the bowl 56 corresponds to the implantation illustrated by the Figure 2A .
  • the cold plasma generating means can thus be made in the form of at least one pair of electrodes arranged on the circumference of the downstream end of the bowl or in the form of a solenoidal winding.
  • the implantation D of the cold plasma generation means makes it possible, on the one hand, to increase the stability range of the combustion chamber by pushing the extinction limits in a lean air / fuel mixture medium, and on the other hand, to control the combustion chamber so as to reduce its vulnerability to instabilities of combustion.
  • the injection system is of the aerodynamic type.
  • the injection system 72 with a longitudinal axis ZZ consists essentially of a hollow tubular structure 73 for the flow of an air / fuel mixture towards the combustion chamber hearth 12. a turbomachine.
  • a deflector 74 is mounted in the opening 16 formed in the chamber bottom 14 via a sleeve 76.
  • a bowl 78 is mounted inside the sleeve 76. This bowl has a divergent wall downstream. .
  • the bowl 78 is extended by an annular retaining ring 80 which surrounds and maintains a fuel injector 82 centered on the longitudinal axis Z-Z of the injection system.
  • the fuel injector 82 comprises a first tubular portion 84 arranged coaxially with the longitudinal axis ZZ of the injection system 72.
  • This first tubular portion 84 defines a first axial internal volume 86 which opens at its downstream end for mixing air / fuel.
  • the inner surface of the first tubular portion 84 of the fuel nozzle 82 surrounds a second tubular portion 90 which is also disposed coaxially with the longitudinal axis Z-Z of the injection system.
  • the first tubular portion 84 and the second tubular portion 90 define between them a second annular passage 92.
  • This second tubular portion 90 further defines a second axial internal volume 94 which opens into the axial internal volume 86 of the first tubular portion 84 .
  • the fuel injector 82 also comprises a plurality of air supply ducts 96 opening outside the injector and opening into the second axial internal volume 94, at an upstream end of the second tubular portion 90. These air supply channels 96 thus making it possible to inject air at an upstream end of the second tubular portion 90 in a substantially axial direction.
  • the fuel injector 82 has at least one fuel inlet 98 in the form of a cylindrical recess. This cylindrical recess is supplied with fuel by an injector arm (not shown).
  • Fuel supply channels 100 open into this cylindrical recess 98 and open into the second annular passage 92. These fuel supply channels thus make it possible to inject fuel between the first tubular portion 84 and the second tubular portion. 90.
  • the fuel injector 82, the retaining ring 80 and the bowl 78 thus form the hollow tubular structure 73 of the injection system 72.
  • the injected fuel is atomized by the shear effect of the air. Indeed, a fuel film is formed at the second annular passage 92. At its exit from the second tubular portion 90, the fuel film is subjected to the action of air from the air supply channels 96 before being submitted, upon leaving the first tubular portion 84, the action of the air from the first annular passage 88.
  • the means for generating cold plasmas can be implanted in three different zones: around the downstream end of the second tubular portion 90 (implantation E), around the downstream end of the first tubular portion 84 (F implantation) or around the downstream end of the annular retaining ring 80 and around the downstream end of the first tubular portion 84 (G implantation).
  • the implantation E around the downstream end of the second tubular portion 90 and the implantation F around the downstream end of the first tubular portion 84 both correspond to the implantation illustrated by FIG. Figure 2A and will not be detailed.
  • the means for generating cold plasmas can be made in the form of at least one pair of electrodes or in the form of a solenoidal winding.
  • the implantation G around the downstream end of the annular retaining ring 80 and around the downstream end of the first tubular portion 84 corresponds to the implantation illustrated by FIG. Figure 2B and so will not be detailed either.
  • the cold plasma generation means can be made in the form of at least one pair of electrodes.

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Description

  • La présente invention se rapporte au domaine général des systèmes d'injection d'un mélange air/carburant pour une chambre de combustion de turbomachine. Elle vise plus particulièrement un système d'injection muni d'un générateur de plasmas froids capable de contrôler la réactivité du mélange air/carburant pendant son injection dans la chambre de combustion.
  • Le processus classique d'élaboration et d'optimisation d'une chambre de combustion d'une turbomachine a pour objectif principal de concilier la mise en oeuvre des performances opérationnelles de la chambre (rendement de combustion, domaine de stabilité, domaine d'allumage et de rallumage, durée de vie du foyer de combustion, etc.) en fonction de la mission envisagée pour l'avion sur lequel est montée la turbomachine tout en minimisant les émissions polluantes (oxydes d'azote, monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés, etc.). Pour ce faire, il est possible de jouer notamment sur la nature et les performances du système d'injection du mélange air/carburant dans la chambre de combustion, la répartition de l'air de dilution dans la chambre et la dynamique du mélange air/carburant dans la chambre.
  • La chambre de combustion d'une turbomachine se compose typiquement de plusieurs systèmes : un système d'injection d'un mélange air/carburant dans un tube à flamme, un système de refroidissement et un système de dilution. La combustion s'organise principalement au sein d'une première partie du tube à flamme (zone primaire) dans laquelle elle est stabilisée au moyen de zones de re-circulation du mélange air/carburant induites par l'écoulement d'air issu du système d'injection. Dans cette zone primaire du tube de mélange, différents phénomènes physiques sont mis en oeuvre : injection et atomisation en fines gouttelettes du carburant, évaporation des gouttelettes, mélange des vapeurs de carburant avec l'air et réactions chimiques d'oxydation du carburant par l'oxygène de l'air. Dans la seconde partie du tube de mélange (zone de dilution), l'activité chimique mise en oeuvre est plus faible et l'écoulement est dilué au moyen de trous de dilution.
  • Afin de réduire les émissions polluantes, notamment celles d'oxydes d'azote (de type NOx), il est connu de chercher à éliminer les zones du tube à flamme où la température est supérieure à 1800° K environ. Pour ce faire, il est nécessaire que la flamme de combustion soit en présence d'un mélange air/carburant riche ou pauvre. Par exemple, l'appauvrissement en mélange air/carburant de la zone du tube à flamme où se déroulent les réactions chimiques peut être obtenu en augmentant le débit d'air affecté à la combustion. Dans ce cas, on contribue ainsi à évaporer et à mélanger de plus en plus de carburant avec l'air avant de venir alimenter la flamme située dans la zone de combustion. La flamme de combustion voit donc sa richesse diminuer.
  • Cependant, l'augmentation du débit d'air ne suffit pas à supprimer complètement les zones de mélanges stoechiométriques à l'intérieur du foyer de combustion. De manière générale, l'appauvrissement de la combustion entraîne une augmentation de la vulnérabilité du foyer de combustion à l'extinction de sorte que les phases de ralentis du moteur ne peuvent plus être obtenues.
  • Pour résoudre ce problème, les motoristes ont développé le concept dit de « combustion étagée » qui peut se présenter sous deux formes : les chambres de combustion à double tête étagée et les systèmes d'injection dits « multipoints ».
  • Les chambres de combustion à double tête étagée sont des chambres dont les injecteurs de carburant sont répartis sur une tête dite « pilote » et sur une tête dite «décollage». La tête pilote fonctionne en permanence et permet ainsi d'éviter que le foyer de combustion ne s'éteigne, tandis que la tête décollage est conçue pour réduire les émissions de type NOx. Bien que cette solution apparaisse satisfaisante, une chambre à double tête étagée reste difficile à piloter et onéreuse compte-tenu du doublement du nombre d'injecteurs de carburant par rapport à une chambre de combustion classique simple tête.
  • Les systèmes d'injection du mélange air/carburant dits « multipoints », sont des systèmes dans lesquels l'injection d'air et de carburant s'effectue par plusieurs conduits indépendants et est régulée en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine. L'inconvénient principal de tels systèmes d'injection multipoints réside dans la complexité des différents circuits de carburant et du système de régulation.
  • On connaît également le brevet US 6,453,660 qui propose un système d'injection multipoints muni d'un générateur de plasmas chauds. Dans ce document, il est prévu d'équiper l'extrémité de l'injecteur principal de carburant d'un dispositif générateur de plasmas chauds. Une décharge énergétique se produit dans l'écoulement de carburant permettant ainsi d'ioniser et de dissocier partiellement les molécules de carburant. Toutefois, un tel système d'injection n'est pas totalement satisfaisant. D'une part, l'architecture à multipoints reste complexe et difficile à piloter. D'autre part, la décharge énergétique ne s'effectue que dans l'écoulement principal de carburant ce qui limite l'efficacité d'un tel système d'injection contre les risques d'extinction du foyer de combustion.
    • Objet et résumé de l'invention
  • La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un système d'injection d'un mélange air/carburant pour une chambre de combustion qui permet d'augmenter la résistance du foyer de combustion à l'extinction tout en conservant une architecture simple et en limitant les émissions polluantes.
  • A cet effet, il est prévu un système d'injection d'un mélange air/carburant pour une chambre de combustion de turbomachine, comportant une structure tubulaire creuse pour l'écoulement du mélange air/carburant vers la chambre de combustion, des moyens d'injection de carburant disposés à une extrémité amont de la structure tubulaire creuse, et des moyens d'injection d'air disposés en aval des moyens d'injection de carburant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de génération de plasmas froids disposés en aval des moyens d'injection d'air afin de générer des espèces actives dans l'écoulement du mélange air/carburant et de réaliser un pré-cassage des molécules du mélange air/carburant, et des moyens de commande des moyens de génération de plasmas froids en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine.
  • Le générateur de plasmas froids permet d'adapter les temps caractéristiques des réactions chimiques en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine. Le pilotage des temps caractéristiques des réactions chimiques est assuré par la production et l'injection d'espèces actives (espèces radicalaires et espèces excitées) dans l'écoulement du mélange air/carburant et par pré-cassage des molécules d'air et de carburant.
  • De la sorte, il est possible d'augmenter la résistance du foyer de combustion à l'extinction et donc d'assurer une stabilité de combustion, notamment aux bas régimes de fonctionnement de la turbomachine, tout en permettant de limiter les émissions polluantes.
  • Les moyens de génération de plasmas froids peuvent aussi bien s'adapter aux systèmes d'injection de type aéromécanique qu'aux systèmes d'injection de type aérodynamique.
  • Les moyens de génération de plasmas froids peuvent comporter au moins un couple d'électrodes reliées à un générateur de courant alternatif qui est piloté par les moyens de commande.
  • Alternativement, et selon leurs implantations, ces moyens de génération de plasmas froids peuvent comporter un enroulement solénoïdal relié à un générateur de courant alternatif qui est également piloté par les moyens de commande.
  • Ainsi, la présente invention permet de s'adapter facilement aux systèmes connus d'injection d'un mélange air/carburant sans entraîner de transformations importantes de ces systèmes d'injection.
  • Les moyens de génération de plasmas froids peuvent être associés à un seul ou à tous les systèmes d'injection d'une même chambre de combustion, ce qui permet d'améliorer le fonctionnement des chambres de combustion existantes.
  • Le système d'injection selon la présente invention peut également fonctionner pour des points de fonctionnement de la turbomachine où la combustion est stabilisée de sorte que le rendement de combustion est augmenté pour ces points. Par exemple, si on considère un point de rallumage en altitude en auto-rotation, le volume du foyer doit être suffisant pour assurer un rendement de combustion permettant à la turbomachine d'accélérer. Dans ces conditions, la présente invention permet de réduire le volume des foyers de combustion et donc de diminuer la masse de la turbomachine.
  • De plus, en repoussant les limites d'extinction de la chambre de combustion, elle permet de supprimer le circuit de carburant de la tête pilote pour les chambres à double tête étagée mais aussi pour les chambres à systèmes d'injection multipoints.
  • Enfin, la présente invention permet de simplifier les systèmes d'allumage de la chambre de combustion en intégrant cette fonction au système d'injection. L'allumage est en effet réalisé par les moyens de génération de plasmas froids alimentés avec une énergie et une fréquence adaptées. Il est ainsi possible de supprimer les dispositifs classiques d'allumage par bougies et d'éviter les problèmes qui leur sont associés (refroidissement du corps et du nez de la bougie, perturbation du refroidissement du foyer, durée de vie de la bougie, etc.).
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un système d'injection selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • les figures 2A et 2B illustrent deux variantes d'implantation des moyens de génération de plasmas froids du système d'injection selon l'invention ;
    • la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un système d'injection selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et
    • la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un système d'injection selon encore un autre mode de réalisation de l'invention.
    Description détaillée d'un mode de réalisation
  • La figure 1 représente, en coupe longitudinale, un système d'injection selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le système d'injection est de type aéromécanique.
  • Le système d'injection 10 d'axe longitudinal X-X se compose essentiellement d'une structure tubulaire pour l'écoulement d'un mélange air/carburant vers le foyer d'une chambre de combustion 12 d'une turbomachine. Ce mélange air/carburant est destiné à être brûlé dans la chambre de combustion 12.
  • La chambre de combustion 12 est par exemple de type annulaire. Elle est délimitée par deux parois annulaires (non représentées sur la figure 1) espacées radialement par rapport à l'axe de la turbomachine et reliées en amont par un fond de chambre 14. Le fond de chambre 14 présente une pluralité d'ouvertures 16 régulièrement espacées circulairement autour de l'axe de la turbomachine. Dans chacune de ces ouvertures 16 est monté un système d'injection 10 selon l'invention. Les gaz issus de la combustion du mélange air/carburant s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion 12 pour alimenter une turbine haute-pression (non représentée) disposée en sortie de la chambre de combustion.
  • Un déflecteur annulaire 18 est monté dans l'ouverture 16 par l'intermédiaire d'un manchon 20. Ce déflecteur est monté parallèlement au fond de chambre 14 et joue un rôle d'écran thermique contre le rayonnement de la flamme de combustion.
  • Un bol 22 est monté à l'intérieur du manchon 20. Ce bol 22 présente une paroi 22a évasée vers l'aval dans le prolongement d'une paroi sensiblement cylindrique 22b disposée coaxialement à l'axe longitudinal X-X du système d'injection 10. Par l'intermédiaire de son angle d'ouverture, le bol 22 permet de répartir le mélange air/carburant dans la zone primaire du foyer de combustion. Par ailleurs, la paroi évasée 22a du bol comporte une pluralité de trous 24 d'introduction d'air dans le foyer de combustion. Ces trous 24 permettent de recentrer l'écoulement du mélange air/carburant autour de l'axe longitudinal X-X en sortie de bol.
  • Le bol 22 présente une collerette annulaire 25 qui s'étend parallèlement au fond de chambre 14. Comme pour le déflecteur 18, cette collerette 25 forme un écran thermique entre le rayonnement de la flamme de combustion et le bol 22. La collerette est refroidie par impact d'air passant par des orifices 25a traversant la paroi évasée 22a du bol.
  • La paroi cylindrique 22b du bol 22 entoure un venturi 26 ayant un contour interne de forme convergente divergente. Le venturi 26 permet de délimiter les écoulements d'air issus d'une vrille interne 28 et d'une vrille externe 30. A son extrémité amont, le venturi 26 comporte un flasque radial 26a séparant la vrille interne 28 et la vrille externe 30.
  • La vrille interne 28 est de type radial. Elle est disposée en amont du venturi 26 et délivre un flux d'air radial interne à l'intérieur du venturi. La vrille externe 30 est également de type radial. Elle est disposée en amont de la paroi cylindrique 22b du bol 22 et délivre un flux d'air radial externe entre le venturi 26 et la paroi cylindrique 22b du bol 22. Les vrilles interne 28 et externe 30 mettent en rotation l'écoulement du mélange air/carburant et augmentent ainsi la turbulence et cisaillement afin de favoriser l'atomisation du carburant et son mélange avec l'air.
  • En amont, la vrille interne 28 est solidaire d'une pièce de retenue 32 présentant une rainure annulaire 34 ouverte du côté de l'axe longitudinal X-X du système d'injection. Une bague d'appui 36 est montée dans la rainure annulaire 34. Cette bague d'appui 36 permet la fixation de l'extrémité aval d'un injecteur de carburant 38 centré sur l'axe longitudinal X-X du système d'injection. La bague d'appui 36 peut se déplacer radialement dans la rainure annulaire 34 afin de permettre un rattrapage de jeu que peuvent engendrer les contraintes thermiques auxquelles sont soumis les différents éléments du système d'injection 10.
  • Dans sa partie en contact avec l'injecteur de carburant 38, la bague d'appui 36 est percée d'une pluralité d'orifices 40 régulièrement espacés circulairement autour de l'axe longitudinal X-X du système d'injection. Ces orifices 40 jouent le rôle de purge en ventilant le gicleur de carburant 38 et en évitant la formation de coke à l'extrémité aval de celui-ci.
  • La bague d'appui 36, les vrilles interne 28 et externe 30, le venturi 26 et le bol 22 forment ainsi la structure tubulaire creuse 41 du système d'injection 10 dans laquelle s'écoule le mélange air/carburant.
  • L'injecteur de carburant 38 est solidaire en amont d'un bras d'injecteur (non représenté). Après son écoulement dans le bras d'injecteur, le carburant est pulvérisé par l'injecteur 38 sous la forme d'un cône de carburant qui vient en partie frapper le venturi 26. Une fois pulvérisé, le carburant est mélangé à l'air issu des vrilles interne 28 et externe 30 et des trous 24 du bol 22.
  • A la sortie du bol 22, le carburant est pulvérisé sous la forme de fines gouttelettes sous l'effet du cisaillement aérodynamique provenant des différences entre les vitesses de l'écoulement liquide et de l'écoulement gazeux. Le mélange air/carburant ainsi formé est alors introduit dans la chambre de combustion 12 pour y être brûlé.
  • Selon l'invention, le système d'injection 10 comporte en outre des moyens de génération de plasmas froids afin de générer des espèces actives dans l'écoulement du mélange air/carburant et de réaliser un pré-cassage des molécules du mélange air/carburant. Des moyens de commande sont également prévus afin de commander ces moyens de génération de plasmas froids en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine.
  • Dans le mode de réalisation du système d'injection illustré par la figure 1, ces moyens de génération de plasmas froids peuvent être disposés, soit autour de l'extrémité aval du venturi 26 (implantation A), soit autour de l'extrémité amont du bol 22 (implantation B), soit autour de l'extrémité aval du venturi 26 et autour de l'extrémité amont du bol 22 (implantation C).
  • La figure 2A illustre l'implantation A des moyens de génération de plasmas froids autour de l'extrémité aval du venturi 26. Cette figure représente schématiquement, en vue de face, l'extrémité aval circulaire du venturi.
  • Dans cette configuration, les moyens de génération de plasmas froids sont réalisés par au moins un couple d'électrodes 42 disposées sur la circonférence de l'extrémité aval du venturi 26. Ces électrodes 42 sont reliées par l'intermédiaire de fils électriques 44 à un générateur de courant alternatif 46. Le générateur de courant est commandé par un système de pilotage 48 décrit ultérieur.
  • Sur la figure 2A, les électrodes 42 sont disposées sur un même diamètre du venturi 26, c'est à dire qu'elles sont alignées radialement l'une par rapport à l'autre. Toutefois, comme illustré en pointillés par le couple d'électrodes 42', ces dernières peuvent être décalées radialement l'une par rapport à l'autre en étant disposés sur des rayons différents du venturi 26.
  • Suivant la nature et le besoin de l'application, le nombre de couples d'électrodes peut être plus important. Ces électrodes sont alors réparties angulairement sur la circonférence du venturi, par exemple de manière uniforme. Par ailleurs, dans le cas de plusieurs couples d'électrodes, ces couples peuvent être alimentés par le générateur de courant alternatif 46 simultanément ou séquentiellement.
  • Alternativement, dans le cas d'une implantation sur l'extrémité aval du venturi, les moyens de génération de plasmas froids peuvent aussi être réalisés sous la forme d'un enroulement solénoïdal relié au générateur de courant alternatif. Dans cette variante non illustrée, la surface externe du venturi présente un enroulement solénoïdal.
  • L'implantation des moyens de génération de plasmas froids autour de l'extrémité amont du bol 22 (implantation B) correspond à l'implantation A décrite ci-dessus et ne sera donc pas reprise.
  • La figure 2B illustre l'implantation C des moyens de génération de plasmas froids autour de l'extrémité aval du venturi 26 et autour de l'extrémité amont du bol 22. Sur cette figure, le venturi 26 et le bol 22 présentent chacun une section droite sensiblement circulaire et sont disposés concentriquement l'un par rapport à l'autre.
  • Dans cette configuration, les moyens de génération de plasmas froids sont réalisés par au moins un couple d'électrodes 42 dont l'une des électrodes est disposée sur la circonférence de l'extrémité aval du venturi 26 et l'autre électrode est disposée sur la circonférence de l'extrémité amont du bol 22. Ces électrodes 42 sont également reliées par l'intermédiaire de fils électriques 44 à un générateur de courant alternatif 46 commandé par un système de pilotage 48.
  • Sur la figure 2B, les électrodes 42 sont disposées sur un même rayon de la couronne définie par l'extrémité aval du venturi 26 et l'extrémité amont du bol 22, c'est à dire qu'elles sont alignées radialement l'une par rapport à l'autre. Toutefois, comme illustré en pointillés par le couple d'électrodes 42', ces dernières peuvent être décalées radialement l'une par rapport à l'autre en étant disposés sur des rayons différents de la couronne.
  • De même que pour la configuration précédente, le nombre de couples d'électrodes peut être plus important suivant la nature et le besoin de l'application. Dans ce cas, la disposition de ces couples d'électrodes peut varier sur la circonférence du venturi et du bol. Les couples d'électrodes peuvent également être alimentés simultanément ou séquentiellement.
  • Dans les deux configurations décrites ci-dessus en référence aux figures 2A et 2B, les couples d'électrodes (ou l'enroulement solénoïdal) permettent de créer, par l'intermédiaire du générateur de courant alternatif 46 relié au système de pilotage 48, une décharge électrique dans le mélange air/carburant s'écoulant entre les électrodes (ou à l'intérieur de l'enroulement solénoïdal).
  • Lorsque le mélange air/carburant passe au travers de cette décharge électrique, les molécules d'air et de carburant deviennent ionisées et partiellement dissociées. Les molécules de carburant sont partiellement dissociées en espèces radicalaires du type CxHy (C2H2, CH4, etc.). De même, l'oxygène de l'air se trouvent dissocié et ionisé (O+, etc.). Ce pré-cassage des molécules de carburant et d'air permet alors de faciliter le cassage ultérieur de ces molécules au cours de la combustion.
  • Les paramètres du générateur de courant alternatif 46 (durée des impulsions électriques, tension, taux de répétition, etc.) sont commandés par le système de pilotage 48 en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine, par rapport aux espèces actives (espèces radicalaires, espèces excitées) que l'on souhaite produire, par rapport au degré de pré-cassages désiré des molécules d'air et de carburant et par rapport à la fonction visée (allumage, rallumage en altitude, extension du domaine de stabilité, contrôle actif du foyer de combustion, etc.).
  • Toutefois, le générateur de courant alternatif 46 présente la particularité de permettre la génération de plasmas dits « froids ». Par rapport aux plasmas dits « chauds », les plasmas froids se caractérisent par une décharge électrique de type « streamer », c'est à dire par une propagation d'un front d'ionisation. Les plasmas froids se caractérisent également par un déséquilibre thermodynamique dans lequel la température des électrons émis lors de la décharge électrique est très élevée par rapport à celle du mélange air/carburant traversant la décharge électrique. Cette particularité a pour avantage principal de permettre la production d'espèces radicalaires actives dans l'écoulement du mélange air/carburant avec une moindre dépense énergétique qu'avec des plasmas chauds.
  • Un tel générateur de courant alternatif 46 permettant de générer des plasmas froids se traduit notamment par une durée d'impulsions électriques comprise entre 2 et 50 nano-secondes, et de préférence entre 2 et 30 nano-secondes. Par comparaison, un générateur de courant électrique pour la production de plasmas chauds délivre des impulsions électriques ayant typiquement une durée de l'ordre de la centaine de microseconde.
  • Par ailleurs, dans le cas où une fonction de contrôle actif du foyer de combustion est nécessaire, le système de pilotage 48 peut utiliser des informations captées en temps réel à l'intérieur du foyer de combustion.
  • Par exemple, il peut être prévu de relier au système de pilotage 48 un détecteur d'instabilité placé dans la chambre de combustion. Un tel détecteur d'instabilité mesure la pression (ou tout autre paramètre) à l'intérieur de la chambre de combustion et la transmet en temps réel au système de pilotage. Selon un autre exemple, il est également possible de relier au système de pilotage un détecteur optique de la flamme de combustion. Un tel détecteur optique permet ainsi d'informer en temps réel le système de pilotage en cas d'extinction de la flamme de combustion.
  • On décrira maintenant un système d'injection selon un autre mode de réalisation de l'invention en se référant à la figure 3. Dans ce mode de réalisation, le système d'injection est également de type aéromécanique de sorte qu'on ne détaillera que les différences existant avec le système d'injection illustré par la figure 1. Notamment, par rapport au système d'injection de la figure 1, ce système d'injection est du type LLP (pour « Lean Premixed Prevaporized »).
  • Comme pour le mode de réalisation décrit précédemment, le système d'injection 50 d'axe longitudinal Y-Y se compose essentiellement d'une structure tubulaire creuse 51 pour l'écoulement d'un mélange air/carburant vers le foyer de la chambre de combustion 12 d'une turbomachine.
  • Un déflecteur annulaire 52 est monté dans l'ouverture 16 pratiquée dans le fond de chambre 14 par l'intermédiaire d'un manchon 54. Un bol 56 formant tube de vaporisation et de pré-mélange est monté à l'intérieur du manchon 54. Ce bol 56 présente une paroi aval 56a divergente qui est formée dans le prolongement d'une paroi intermédiaire 56b convergente, elle-même formée dans le prolongement d'une paroi amont 56c sensiblement cylindrique disposée coaxialement à l'axe longitudinal Y-Y du système d'injection.
  • En plus des fonctions décrites dans le mode de réalisation précédent, ce bol 56 permet d'alimenter le foyer de combustion par un mélange air/carburant homogène pauvre afin d'éviter l'établissement dans le foyer de conditions de combustion stoechiométriques génératrices d'émissions de type NOx.
  • Le bol 56 entoure un premier venturi 58. Ce premier venturi 58 a pour fonction de guider de l'air traversant des trous 60 formés au travers de la paroi cylindrique 56c du bol 56, au niveau de son extrémité amont. Cet air est destiné à refroidir le bol 56 en circulant le long de la face interne de celui-ci.
  • Le premier venturi 58 entoure un second venturi 62 ayant un contour interne de forme convergente divergente. Le second venturi 62 délimite les écoulements d'air issus d'une vrille interne radiale 64 et d'une vrille externe radiale 66. La vrille interne 64 délivre un flux d'air radial à l'intérieur du second venturi 62 et la vrille externe 66 délivre un flux d'air radial entre le premier venturi 58 et le second venturi 62.
  • Un injecteur de carburant 68 centré sur l'axe longitudinal Y-Y du système d'injection est disposé en amont de la vrille interne 64. Cet injecteur de carburant est fixé sur le système d'injection par l'intermédiaire d'une bague d'appui 70.
  • La bague d'appui 70, les vrilles interne 64 et externe 66, les venturis 58, 62 et le bol 56 forment ainsi la structure tubulaire creuse 51 du système d'injection 50 dans laquelle s'écoule le mélange air/carburant.
  • Dans ce mode de réalisation, les moyens de génération de plasmas froids permettant de générer des espèces actives dans l'écoulement du mélange air/carburant et de réaliser un pré-cassage des molécules du mélange air/carburant sont disposés autour de l'extrémité aval du bol 56 (implantation D sur la figure 3).
  • L'implantation D des moyens de génération de plasmas froids autour de l'extrémité aval du bol 56 correspond à l'implantation illustrée par la figure 2A. Comme décrit précédemment, les moyens de génération de plasmas froids peuvent ainsi être réalisés sous la forme d'au moins un couple d'électrodes disposées sur la circonférence de l'extrémité aval du bol ou bien sous la forme d'un enroulement solénoïdal.
  • Bien entendu, les variantes de configuration décrites en référence à la figure 2A sont également applicables à ce mode de réalisation et les électrodes (ou l'enroulement solénoïdal) sont reliées au générateur de courant alternatif commandé par le système de pilotage.
  • Dans ce mode de réalisation, l'implantation D des moyens de génération de plasmas froids permet, d'une part d'accroître le domaine de stabilité du foyer de combustion en repoussant les limites d'extinction en milieu pauvre de mélange air/carburant, et d'autre part, de piloter le foyer de combustion de manière à diminuer sa vulnérabilité aux instabilités de combustion.
  • Dans ce cas de pilotage du foyer de combustion, il convient, comme mentionnée précédemment, de mettre en place un détecteur d'instabilité ou un détecteur optique de la flamme de combustion relié au système de pilotage actif du générateur de courant alternatif.
  • On décrira maintenant un système d'injection selon encore un autre mode de réalisation de l'invention en se référant à la figure 4. Dans ce mode de réalisation, le système d'injection est du type aérodynamique.
  • Comme pour les modes de réalisation précédents, le système d'injection 72 d'axe longitudinal Z-Z se compose essentiellement d'une structure tubulaire creuse 73 pour l'écoulement d'un mélange air/carburant vers le foyer de la chambre de combustion 12 d'une turbomachine.
  • Un déflecteur 74 est monté dans l'ouverture 16 pratiquée dans le fond de chambre 14 par l'intermédiaire d'un manchon 76. Un bol 78 est monté à l'intérieur du manchon 76. Ce bol présente une paroi divergente vers l'aval.
  • A son extrémité amont, le bol 78 se prolonge par une bague annulaire de maintien 80 qui entoure et maintient un injecteur de carburant 82 centré sur l'axe longitudinal Z-Z du système d'injection.
  • L'injecteur de carburant 82 comporte une première partie tubulaire 84 disposée coaxialement à l'axe longitudinal Z-Z du système d'injection 72. Cette première partie tubulaire 84 définit un premier volume interne axial 86 qui s'ouvre à son extrémité aval pour le mélange air/carburant.
  • La surface externe de la première partie tubulaire 84 et la surface interne de la bague annulaire de maintien 80 définissent entre elles un premier passage annulaire 88. Des orifices d'alimentation en air 89 pratiqués au travers de la bague de maintien 80 s'ouvrent à l'extérieur de l'injecteur 82 et débouchent dans ce premier passage annulaire 88. Ces orifices 89 permettent d'injecter de l'air à l'extrémité aval de la première partie tubulaire 84 selon une direction sensiblement axiale.
  • La surface interne de la première partie tubulaire 84 du gicleur de carburant 82 entoure une seconde partie tubulaire 90 qui est également disposée coaxialement à l'axe longitudinal Z-Z du système d'injection. La première partie tubulaire 84 et la seconde partie tubulaire 90 définissent entre elles un second passage annulaire 92. Cette seconde partie tubulaire 90 définit en outre un second volume interne axial 94 qui s'ouvre dans le volume interne axial 86 de la première partie tubulaire 84.
  • L'injecteur de carburant 82 comporte également une pluralité de canaux d'alimentation en air 96 s'ouvrant à l'extérieur de l'injecteur et débouchant dans le second volume interne axial 94, à une extrémité amont de la seconde partie tubulaire 90. Ces canaux d'alimentation en air 96 permettant ainsi d'injecter de l'air à une extrémité amont de la seconde partie tubulaire 90 selon une direction sensiblement axiale.
  • A son extrémité amont, l'injecteur de carburant 82 comporte au moins une entrée en carburant 98 se présentant sous la forme d'un évidement cylindrique. Cet évidement cylindrique est alimenté en carburant par un bras d'injecteur (non représenté).
  • Des canaux d'alimentation en carburant 100 s'ouvrent dans cet évidement cylindrique 98 et débouchent dans le second passage annulaire 92. Ces canaux d'alimentation en carburant permettent donc d'injecter du carburant entre la première partie tubulaire 84 et la seconde partie tubulaire 90.
  • L'injecteur de carburant 82, la bague de maintien 80 et le bol 78 forment ainsi la structure tubulaire creuse 73 du système d'injection 72.
  • Dans ce système d'injection, le carburant injecté est atomisé par l'effet de cisaillement de l'air. En effet, un film de carburant se forme au niveau du second passage annulaire 92. A sa sortie de la seconde partie tubulaire 90, ce film de carburant est soumis à l'action de l'air issu des canaux d'alimentation en air 96 avant d'être soumis, à la sortie de la première partie tubulaire 84, à l'action de l'air issu du premier passage annulaire 88.
  • Dans ce mode de réalisation, les moyens de génération de plasmas froids peuvent être implantés en trois zones différentes : autour de l'extrémité aval de la seconde partie tubulaire 90 (implantation E), autour de l'extrémité aval de la première partie tubulaire 84 (implantation F) ou encore autour de l'extrémité aval de la bague annulaire de maintien 80 et autour de l'extrémité aval de la première partie tubulaire 84 (implantation G).
  • L'implantation E autour de l'extrémité aval de la seconde partie tubulaire 90 et l'implantation F autour de l'extrémité aval de la première partie tubulaire 84 correspondent toutes deux à l'implantation illustrée par la figure 2A et ne seront donc pas détaillées. Dans ces deux cas, les moyens de génération de plasmas froids peuvent être réalisés sous la forme d'au moins un couple d'électrodes ou bien sous la forme d'un enroulement solénoïdal.
  • L'implantation G autour de l'extrémité aval de la bague annulaire de maintien 80 et autour de l'extrémité aval de la première partie tubulaire 84 correspond à l'implantation illustrée par la figure 2B et ne sera donc pas non plus détaillée. Dans ce cas, les moyens de génération de plasmas froids peuvent être réalisés sous la forme d'au moins un couple d'électrodes.
  • Bien entendu, les différentes variantes décrites en référence aux figures 2A et 2B s'appliquent également aux implantations E, F et G de ce mode de réalisation et les électrodes (ou l'enroulement solénoïdal) sont reliées au générateur de courant alternatif commandé par le système de pilotage.

Claims (16)

  1. Système d'injection (10 ; 50 ; 72) d'un mélange air/carburant pour une chambre de combustion (12) de turbomachine, comportant :
    une structure tubulaire creuse (41, 51, 73) pour l'écoulement du mélange air/carburant vers la chambre de combustion (12) ;
    des moyens d'injection de carburant (38 ; 68 ; 100) disposés à une extrémité amont de la structure tubulaire creuse ; et
    des moyens d'injection d'air (28, 30 ; 64, 66 ; 89, 96) disposés en aval des moyens d'injection de carburant (38 ; 68 ; 100) ;
    caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
    des moyens de génération de plasmas froids (42, 42') disposés en aval des moyens d'injection d'air (28, 30 ; 64, 66 ; 89, 96) afin de générer des espèces actives dans l'écoulement du mélange air/carburant et de réaliser un pré-cassage des molécules du mélange air/carburant ; et
    des moyens de commande (48) desdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine.
  2. Système (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un injecteur de carburant (38) disposé à une extrémité amont de la structure tubulaire creuse (41) et permettant d'injecter du carburant dans la structure tubulaire creuse (41) selon une direction sensiblement axiale, une vrille d'air interne (28) disposée en aval de l'injecteur de carburant (38) et permettant d'injecter de l'air dans ladite structure tubulaire creuse (41) selon une direction sensiblement radiale, une vrille d'air externe (30) disposée en aval de la vrille d'air interne (28) et permettant d'injecter de l'air dans ladite structure tubulaire creuse (41) selon une direction sensiblement radiale, un venturi (26) interposé entre les vrilles d'air interne (28) et externe (30), et un bol (22) disposé en aval de la vrille d'air externe (30).
  3. Système (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité aval du venturi (26).
  4. Système (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité amont du bol (22).
  5. Système (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité aval du venturi (26) et autour d'une extrémité amont du bol (22).
  6. Système (50) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un injecteur de carburant (68) disposé à une extrémité amont de la structure tubulaire creuse (51) et permettant d'injecter du carburant dans la structure tubulaire creuse (51) selon une direction sensiblement axiale, une vrille d'air interne (64) disposée en aval de l'injecteur de carburant (68) et permettant d'injecter de l'air dans ladite structure tubulaire creuse (51) selon une direction sensiblement radiale, une vrille d'air externe (66) disposée en aval de la vrille d'air interne (64) et permettant d'injecter de l'air dans ladite structure tubulaire creuse (51) selon une direction sensiblement radiale, un premier venturi (58) interposé entre les vrilles d'air interne (64) et externe (66), un second venturi (62) disposé en aval de la vrille d'air externe (66), et un bol de pré-mélange (56) disposé en aval du second venturi (62).
  7. Système (50) selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité aval du bol de pré-mélange (56).
  8. Système (72) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte :
    un injecteur de carburant (82) comportant une première partie tubulaire (84) entourant une seconde partie tubulaire (90) de façon à définir un passage annulaire (92) entre lesdites première (84) et seconde (90) parties tubulaires ;
    une bague annulaire de maintien (80) entourant ladite première partie tubulaire (84) de l'injecteur de carburant (82) de façon à définir un passage annulaire (88) entre ladite bague annulaire de maintien (80) et ledit injecteur de carburant (82) ;
    un bol (78) disposé dans le prolongement aval de ladite bague annulaire de maintien (80) ;
    des orifices d'alimentation en air (89) débouchant dans le passage annulaire (88) entre ladite bague de maintien (80) et ledit injecteur de carburant (82) et permettant d'injecter de l'air en aval de ladite première partie tubulaire (84) de l'injecteur de carburant (82) ;
    des canaux d'alimentation en air (96) débouchant à une extrémité amont de ladite seconde partie tubulaire (90) de l'injecteur de carburant (82) ; et
    des canaux d'alimentation en carburant (100) débouchant dans le passage annulaire (92) entre lesdites première (84) et seconde (90) parties tubulaires et permettant d'injecter du carburant entre lesdites première (84) et seconde (90) parties tubulaires.
  9. Système (72) selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité aval de ladite seconde partie tubulaire (90) de l'injecteur de carburant (82).
  10. Système (72) selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité aval de ladite première partie tubulaire (84) de l'injecteur de carburant (82).
  11. Système (72) selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids (42, 42') sont disposés autour d'une extrémité aval de ladite première partie tubulaire (84) de l'injecteur de carburant (82) et autour d'une extrémité aval de la bague annulaire de maintien (80).
  12. Système (10 ; 50 ; 72) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids comportent au moins un couple d'électrodes (42, 42') reliées à un générateur de courant alternatif (46).
  13. Système (10 ; 50 ; 72) selon la revendication 12, caractérisé en ce que les électrodes (42, 42') dudit couple d'électrodes sont alignées radialement l'une par rapport à l'autre.
  14. Système (10 ; 50 ; 72) selon la revendication 12, caractérisé en ce que les électrodes (42, 42') dudit couple d'électrodes sont décalées radialement l'une par rapport à l'autre.
  15. Système (10 ; 50 ; 72) selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 7, 9 et 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de plasmas froids comportent un enroulement solénoïdal relié à un générateur de courant alternatif (46).
  16. Système (10 ; 50 ; 72) selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que ledit générateur de courant alternatif (6) délivre des impulsions électriques de durée comprise entre 2 et 50 nano-secondes.
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