FR2665729A1 - Dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine. - Google Patents
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Abstract
L'invention est relative à un dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine comprenant une première arrivée de carburant (6-7) sensiblement symétrique par rapport à un axe géométrique (2) et en outre distante radialement dudit axe géométrique (2), et, une première arrivée d'air de combustion, également sensiblement symétrique par rapport audit axe géométrique (2) et en outre distante radialement de cet axe géométrique, les premières arrivées de carburant et d'air de combustion constituant un ensemble d'injection aérodynamique de carburant. Selon l'invention, ce dispositif comprend en outre un dispositif d'injection mécanique (9-10) de carburant, qui est muni d'une buse (9), dont l'orifice est disposé sur le dit axe géométrique (2) et dont l'axe du cône d'injection (B) est confondu avec cet axe géométrique (2). Une application est la réalisation d'une turbomachine ayant un fonctionnement satisfaisant à toutes charges, de fabrication simple, et fiable.
Description
Les performances d'une chambre de combustion sont directement liées aux caractéristiques de son système d'injection (granulométrie, angle de la nappe carburant, répartition spatiale et radiale du carburant).
Ces caractéristiques, qui sont difficiles à maîtriser, sont par ailleurs très variables en fonction du régime moteur et du type d'injecteur.
Compte-tenu de l'évolution des cycles des moteurs modernes (taux de compression élevé, faible perte de charge) et des variations des caractéristiques d'injection, il devient de plus en plus difficile d'obtenir les performances désirées dans les conditions extrêmes.
Le choix de la fraction des débits d'air et de carburant à injecter dans la zone primaire, résulte d'un compromis entre les performances de la chambre à plein gaz (émissions de fumée, NOx, tenue thermique des parois et hétérogénéité circonférentielle) et les performances de la chambre en régime de ralenti (rallumage en altitude, limites d'extinction, rendement ralenti, pollution
CHx/CO).
CHx/CO).
L'évolution technologique des turboréacteurs a obligé les spécialistes à étudier des techniques d'injection compatibles avec les performances imposées.
Tant que les pressions dans les chambres de combustion étaient modérées, l'injection de carburant s'effectuait à l'aide d'injecteur mécanique : l'ouverture plus ou moins grande de l'injecteur était fonction de la pression du carburant.
L'augmentation de la pression de l'air en écoulement a nécessité des pressions d'injection plus grandes. Il est alors devenu impératif d'obtenir dans la chambre une nappe conique de carburant finement pulvérisée pour empêcher les émissions de fumée. Pour disloquer l'écoulement de carburant, des injecteurs pneumatiques ont été introduits dans les chambres. FR-A-1 570 546 décrit un tel injecteur pneumatique.
Actuellement, les moteurs sont équipés d'injecteurs aérodynamiques, dans lesquels l'air de soufflage est guidé par des inducteurs de turbulence (vrilles), qui peuvent être axiaux ou axiaux et radiaux. L'air mis en rotation par ces vrilles prend en sandwich un flux intermédiaire annulaire de carburant, de manière à exercer sur celui-ci un effet de cisaillement, qui accélère la pulvérisation et la vaporisation du carburant. FR-A-2 206 796 décrit un dispositif composé de vrilles axiales et radiales, basé sur ce principe.
Des perfectionnements ont été apportés à ces dispositifs d'injection aérodynamique à géométrie fixe : ce sont les injecteurs à géométrie variable, solution dans laquelle on s'efforce d'adapter, de manière continue, la répartition du débit d'air en fonction du régime, au-moyen de dispositifs mobiles capables de diaphragmer plus ou moins les arrivées d'air dans la chambre.
FR-A-2 572 463, FR-A-2 585 770, FR-A-2 602 271 et FR-A-2 596 102 décrivent des dispositions adoptant de tels dispositifs à diaphragmes.
La présente invention propose également un dispositif permettant une meilleure optimisation du fonctionnement en régimes extrêmes, faible et fort régimes. Ce dispositif est une combinaison simple et économique de l'injection mécanique et de l'injection aérodynamique.
L'invention est donc relative à un dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine comprenant au moins une première arrivée de carburant sensiblement symétrique par rapport à un axe géométrique, chaque première arrivée de carburant étant en outre distante radialement dudit axe géométrique ; et, au moins une première arrivée d'air de combustion, également sensiblement symétrique par rapport audit axe géométrique, chaque première arrivée d'air de combustion étant en outre distante radialement de cet axe géométrique, la ou les premières arrivées de carburant et la ou les premières arrivées d'air de combustion constituant un ensemble d'injection aérodynamique de carburant.
Selon l'invention, ce dispositif général d'injection de carburant comprend en outre un dispositif d'injection mécanique de carburant, qui est muni d'une buse, dont l'orifice est disposé sur ledit axe géométrique et dont l'axe du cône d'injection est confondu avec cet axe géométrique.
Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées
- l'orifice de la buse du dispositif d'injection mécanique est disposé en amont du plan de l'orifice d'admission d'air dans la chambre de combustion proprement dite
- ledit dispositif mécanique d'injection comprend un injecteur unique à une seule buse
- les deux arêtes du cône d'injection contenues dans un plan o passant par l'axe du cône forment un angle au plus égal à 50 , et préférentiellement voisin de 300.
- l'orifice de la buse du dispositif d'injection mécanique est disposé en amont du plan de l'orifice d'admission d'air dans la chambre de combustion proprement dite
- ledit dispositif mécanique d'injection comprend un injecteur unique à une seule buse
- les deux arêtes du cône d'injection contenues dans un plan o passant par l'axe du cône forment un angle au plus égal à 50 , et préférentiellement voisin de 300.
L'avantage principal de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'obtenir, aussi bien aux faibles régimes (ralenti), qu'aux autres régimes, de bonnes qualités granulométriques, et un bon contrôle de l'angle de la nappe associé à une bonne répartition radiale et spatiale du carburant. Au ralenti, la maîtrise du débit de carburant par l'intermédiaire de l'injecteur mécanique est satisfaisante, alors qu'aux autres régimes, le bon prémélange air/carburant permet la bonne homogénéité du mélange nécessaire à l'obtention des performances désirées. Ces bonnes caractéristiques de fonctionnement sont en outre obtenues par adoption d'une disposition générale simple, donc à la fois peu coûteuse et fiable.
L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-dessous à titre d'exemple.
Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif.
Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est une coupe axiale d'un dispositif d'injection de carburant conforme à l'invention ; et
- la figure 2 est une coupe axiale du dispositif d'injection mécanique incorporé dans le dispositif général d'injection de la figure 1.
- la figure 1 est une coupe axiale d'un dispositif d'injection de carburant conforme à l'invention ; et
- la figure 2 est une coupe axiale du dispositif d'injection mécanique incorporé dans le dispositif général d'injection de la figure 1.
L'ensemble d'injection représenté sur la figure 1 comprend
- une virole conique 1, dénommée "bol" d'injection, d'axe 2, formant le fond d'une chambre de combustion 3
- deux admissions d'air de combustion constituant une vrille externe axiale 4 et une vrille interne radiale 5, toutes deux distantes de l'axe 2 et recevant l'air de la partie amont du dispositif
- une première admission de carburant dans la chambre de combustion constituée par un conduit amont 6 débouchant dans une pluralité de conduits aval 7, qui sont disposés entre les vrilles axiale 4 et radiale 5, en étant orientés sensiblement axialement, et en débouchant légèrement en amont de l'orifice 8 d'admission dans la chambre de combustion 3 de l'air provenant desdites vrilles axiale 4 et radiale 5.
- une virole conique 1, dénommée "bol" d'injection, d'axe 2, formant le fond d'une chambre de combustion 3
- deux admissions d'air de combustion constituant une vrille externe axiale 4 et une vrille interne radiale 5, toutes deux distantes de l'axe 2 et recevant l'air de la partie amont du dispositif
- une première admission de carburant dans la chambre de combustion constituée par un conduit amont 6 débouchant dans une pluralité de conduits aval 7, qui sont disposés entre les vrilles axiale 4 et radiale 5, en étant orientés sensiblement axialement, et en débouchant légèrement en amont de l'orifice 8 d'admission dans la chambre de combustion 3 de l'air provenant desdites vrilles axiale 4 et radiale 5.
Cette disposition générale est aujourd'hui classique et est bien adoptée aux fonctionnements à pleines charges, le tronc de cône du mélange air/carburant injecté, partant sensiblement de l'orifice d'admission 8, ayant une ouverture angulaire A, de 1200 dans l'exemple représenté. La lisière de l'orifice 8 est écartée de l'axe 2 de la valeur du rayon R8 et les conduits 7 de carburant sont eux-mêmes écartés de l'axe 2 de la distance D7 de sorte que ce premier mélange air/carburant se diffuse dans la chambre 3, tout au moins à proximité de l'orifice 8, à une distance non nulle de l'axe 2, laissant la zone centrale, incluant l'axe 2, peu perturbée par ce premier mélange et cette première injection.
En amont de l'orifice 8, éloigné d'une distance D du plan P dudit orifice d'admission 8, est disposé l'orifice 9 de la buse d'injection de carburant d'un injecteur mécanique 10, ledit orifice 9 étant disposé sur l'axe 2, et le jet de carburant qui en est issu étant conique, d'axe 2, d'ouverture angulaire B très inférieure à l'ouverture angulaire A, de préférence inférieure ou égale à 500 et égale à 300 dans l'exemple représenté. L'injecteur mécanique de carburant 10 est donc disposé coaxial à l'axe 2, en position centrale, et est en fait fixé sur la structure du fond de la chambre de combustion. I1 est relié à un conduit 11 d'arrivée de carburant qui est coaxial à l'axe 2 et disposé au centre du conduit 6.On note que l'injecteur 10 est mécanique, non relié à une admission d'air, et réalise mécaniquement le cisaillement du jet de carburant avant son admission sous la forme du cône d'angle B, dans une zone relativement peu perturbée par l'admission principale de l'air par l'intermédiaire des vrilles 4 et 5.
Le fonctionnement obtenu est satisfaisant à faibles et à fortes charges : en principe, seule l'injection aérodynamique au moyen des vrilles 4 et 5 est utilisée en régime stabilisé et à forte charge, alors qu'au régime de ralenti, seul l'injecteur mécanique 10 est utilisé. Cet injecteur mécanique est d'ailleurs relié à un doseur de carburant, non représenté sur les figures.
Dans certains cas de fonctionnement, cependant, l'injection mécanique fonctionne en même temps que l'injection aérodynamique. A noter la simplicité de la réalisation qui a consisté à compléter l'injection aérodynamique existante par une injection mécanique, constituée ici par un injecteur unique 10.
L'invention n'est pas limitée à la réalisation représentée, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient lui être apportées sans sortir de son cadre, ni de son esprit.
Claims (5)
1. Dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine comprenant - au moins une première arrivée de carburant (6-7) sensiblement symétrique par rapport à un axe géométrique (2), chaque première arrivée de carburant étant en outre distante radialement dudit axe géométrique (2) ; et, - au moins une première arrivée (4-5) d'air de combustion, egalement sensiblement symétrique par rapport audit axe géométrique (2), chaque première arrivée d'air de combustion étant en outre distante radialement de cet axe géométrique, la ou les premières arrivées de carburant et la ou les premières arrivées d'air de combustion constituant un ensemble d'injection aérodynamique de carburant, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'injection mécanique (9-10) de carburant, qui est muni d'une buse (9), dont l'orifice est disposé sur ledit axe géométrique (2) et dont l'axe du cône d'injection (B) est confondu avec cet axe géométrique (2).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice (9) de la buse du dispositif d'injection mécanique (10) est disposé en amont (D) du plan (P) de l'orifice d'admission (8) d'air dans la chambre de combustion proprement dite (3).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit dispositif mécanique d'injection (10) comprend un injecteur unique à une seule buse.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux arêtes du cône d'injection contenues dans un plan passant par l'axe (2) du cône forment un angle (B) au plus égal à 500.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit angle (B) est sensiblement égal à 300.
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