FR2911666A1 - Dispositif d'injection d'un melange d'air et de carburant, chambre de combustion et turbomachine munies d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'injection d'un melange d'air et de carburant, chambre de combustion et turbomachine munies d'un tel dispositif Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte au domaine des turbomachines et concerne un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine. Elle concerne plus précisément un nouveau dispositif d'injection (100) permettant de diminuer les vibrations et les usures existant au niveau du contact entre l'injecteur (80) de carburant et le reste du dispositif d'injection en insérant une rondelle amortisseur (90) au sein du dispositif d'injection.

Description

Dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant, chambre de
combustion et turbomachine munies d'un tel dispositif
L'invention se rapporte au domaine des turbomachines et concerne un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine . Elle concerne plus précisément un nouveau dispositif d'injection permettant de diminuer les vibrations et les usures existant au niveau du contact entre l'injecteur de carburant et une traversée coulissante dans laquelle est monté l'injecteur.
Dans la suite de la description, les termes "amont" ou "aval" seront utilisés pour désigner les positions des éléments de structure les uns par rapport aux autres en direction axiale, en prenant pour référence le sens d'écoulement des gaz. De même, les termes "interne" ou "radialement interne" et "externe" ou "radialement externe" seront utilisés pour désigner les positions des éléments de structure les uns par rapport aux autres en direction radiale, en prenant pour référence l'axe de rotation de la turbomachine.
Une turbomachine comprend un ou plusieurs compresseur(s) délivrant de l'air sous pression à une chambre de combustion où l'air est mélangé à du carburant et allumé afin de générer des gaz de combustion chauds. En sortie de la chambre, ces gaz s'écoulent vers une ou plusieurs turbine(s) qui transforme(nt) l'énergie ainsi reçue afin d'entraîner en rotation le ou les compresseur(s) et fournir le travail nécessaire, par exemple, à la motorisation d'un avion.
Typiquement, une chambre de combustion utilisée en aéronautique comprend une paroi interne et une paroi externe, reliées entre elles à leur extrémité amont lpar un fond de chambre. Le fond de chambre présente, espacées circonférentiellement, une pluralité d'ouvertures recevant chacune un dispositif d'injection qui permet l'amenée du mélange d'air et de carburant dans la chambre.
Comme illustré dans le document FR 2 753 779, chaque dispositif d'injection possède une symétrie de révolution et comporte, disposés de l'amont vers l'aval, un injecteur de carburant, se positionnant au centre d'une traversée coulissante, liée par une coupelle annulaire à des vrilles radiales. Les vrilles radiales comportent un venturi et sont reliées par leur extrémité aval à un bol à paroi conique divergente. Le bol est lui-même relié au fond de chambre par l'intermédiaire d'un déflecteur. La traversée coulissante comporte, disposés de l'amont vers l'aval, une paroi amont de forme conique convergente, se prolongeant en une paroi cylindrique qui se termine en aval par un flasque annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur. Le flasque annulaire de la traversée coulissante est maintenu axialement par une coupelle annulaire qui le lie aux vrilles radiales disposées juste en aval. Cette liaison doit être effectuée avec un jeu radial et un jeu axial de façon à autoriser tout déplacement radial de la traversée coulissante dans le plan de son flasque annulaire. Cette possibilité de déplacement radial est importante car elle permet de compenser les écarts de déplacement radial existant en fonctionnement entre l'injecteur et la chambre de combustion. Ces écarts de déplacement radial entre l'injecteur et la chambre sont dus aux différences de dilatation thermique existant entre ces deux pièces et aux vibrations qui peuvent résulter du montage en porte-à-faux de la chambre, dont l'extrémité amont est libre. Ainsi, même s'il est faible, un jeu axial existe entre la traversée coulissante et la coupelle annulaire ; la traversée coulissante peut donc, en fonctionnement, vibrer dans son logement. Ces vibrations sont à l'origine d'usures au niveau de l'interface de contact entre l'injecteur et la traversée coulissante. Ces usures diminuent la durée de vie de ces deux pièces en engendrant des criques, voire des ruptures de celles-ci et sont à l'origine de fuites d'air, néfastes au bon fonctionnement du dispositif d'injection.
L'objectif de l'invention est de proposer une nouvelle architecture de dispositif d'injection permettant de minimiser les usures au niveau de l'interface entre l'injecteur et la traversée coulissante.
L'invention permet de résoudre ces problèmes en proposant un dispositif d'injection comportant une rondelle amortisseur qui permet de diminuer, voire de supprimer, les vibrations de la traversée coulissante dans son logement.
Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, le dispositif d'injection ayant une symétrie de révolution autour d'un axe Y et comportant, disposés d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, une traversée coulissante, reliée par une coupelle annulaire à une ou plusieurs vrilles radiales ou axiales, la traversée coulissante comportant une partie amont conique convergente se prolongeant en une partie cylindrique d'axe Y, cette partie cylindrique étant munie à son extrémité aval d'un flasque annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur, la coupelle annulaire comportant un flasque annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur et se terminant par un bec annulaire cylindrique d'axe Y dirigé vers l'amont, les vrilles étant munies d'un bec annulaire cylindrique d'axe Y entourant le bec annulaire de la coupelle annulaire et délimitant, avec le flasque annulaire de la coupelle annulaire et les vrilles, un logement dans lequel est disposé le flasque annulaire de la traversée coulissante. Le dispositif d'injection selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte une rondelle amortisseur souple selon la direction axiale insérée dans le logement, la rondelle amortisseur étant en contact avec le flasque annulaire de la traversée coulissante et une paroi du logement. Préférentiellement, la rondelle amortisseur et le flasque annulaire de la traversée coulissante sont disposés dans le logement avec une précontrainte selon la direction axiale.
Avantageusement, avant montage, le flasque annulaire de la traversée coulissante, la rondelle amortisseur et le logement ont des épaisseurs selon la direction axiale telles que la somme des épaisseurs du flasque annulaire de la traversée coulissante et de la rondelle amortisseur est supérieure à l'épaisseur du logement .
La rondelle amortisseur peut avoir une section selon un plan comprenant l'axe Y qui est en forme de S ou qui est ondulée.
Par ailleurs, l'invention concerne aussi une chambre de combustion comprenant une paroi interne, une paroi externe, un fond de chambre et munie d'au moins un tel dispositif d'injection. L'invention concerne enfin une turbomachine munie d'une telle 5 chambre de combustion.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description d'un mode 10 préféré de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une turbomachine et plus précisément d'un turboréacteur d'avion ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe de la partie 15 amont d'une chambre de combustion munie d'un dispositif d'injection selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue schématique détaillée, en coupe, d'un dispositif d'injection selon l'art antérieur ; -la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un dispositif 20 d'injection selon l'invention ; - les figures 5a et 5b sont des vues schématiques en coupe de deux exemples de réalisation d'une rondelle amortisseur selon l'invention.
25 La figure 1 montre en coupe une vue d'ensemble d'une turbomachine 1, par exemple un turboréacteur d'avion, comprenant un compresseur basse pression 2, un compresseur haute pression 3, une chambre de combustion 4, une turbine basse pression 5 et une turbine haute pression 6. La chambre de combustion 4 peut être du type annulaire 30 et est délimitée par deux parois annulaires 7 espacées radialement par rapport à l'axe X de rotation du turboréacteur, et reliées à leur extrémité amont à un fond de chambre annulaire 8. Le fond de chambre 8 comporte une pluralité d'ouvertures (non représentées), régulièrement espacées circonférentiellement. Dans chacune de ces ouvertures est monté un 35 dispositif d'injection. Les gaz de combustion s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion 4 et alimentent ensuite les turbines 5 et 6 qui
entraînent respectivement les compresseurs 2 et 3 disposés en amont du fond de chambre 8, par l'intermédiaire respectivement de deux arbres 9 et 10. Le compresseur haute pression 3 alimente en air les dispositifs d'injection, ainsi que deux espaces annulaires disposés radialement respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre de combustion 4. L'air introduit dans la chambre de combustion 4 participe à la pulvérisation du carburant et à sa combustion. L'air circulant à l'extérieur des parois de la chambre de combustion 2 participe au refroidissement de ces parois et pénètre dans la chambre par des trous de dilution (non représentés) afin de refroidir les gaz de combustion transmis à la turbine.
La figure 2 montre en coupe un exemple de réalisation d'un dispositif d'injection 100 selon l'art antérieur. Le dispositif d'injection 100, dont l'axe de symétrie de révolution est repéré Y, comporte, disposés de l'amont vers l'aval, un injecteur 80 disposé au centre d'une traversée coulissante 20, liée par une coupelle annulaire 30 à des vrilles radiales 40. Les vrilles radiales 40 comportent un venturi 50 et sont reliées par leur extrémité aval à un bol 60 à paroi conique divergente. Le bol 60 est lui-même relié au fond de chambre 8 par l'intermédiaire d'un déflecteur 70.
La chambre de combustion 4 est alimentée par du carburant liquide, mélangé à de l'air issu d'un compresseur. Le carburant liquide est amené jusqu'à la chambre par les injecteurs 80. L'extrémité aval 81, encore appelée tête, des injecteurs 80 est positionnée au sein du dispositif d'injection 100, au centre de la traversée coulissante 20, de façon à ce que l'axe de symétrie de la tête 81 des injecteurs corresponde à l'axe de symétrie de la traversée coulissante. Chaque tête 81 d'injecteur comporte un gicleur (non représenté) qui assure la carburation du mélange air-carburant, ce mélange sortant des injecteurs sous la forme d'un cône 110 d'angle au sommet a.
La figure 3 montre une vue schématique détaillée, en coupe, d'un dispositif d'injection selon l'art antérieur. Le dispositif d'injection 100 comporte une traversée coulissante 20, au centre de laquelle se positionne un injecteur 80. La traversée coulissante 20 est composée d'une partie amont conique convergente 21 se prolongeant en une partie cylindrique 22 d'axe Y, cette partie cylindrique étant munie à son extrémité aval d'un flasque annulaire 23 s'étendant radialement vers l'extérieur. La partie conique convergente 21 est inclinée à 45 environ par rapport à l'axe Y et a pour fonction de guider l'injecteur 80 lors de son montage sur le dispositif d'injection. Au niveau du flasque annulaire 23, la traversée coulissante 20 est maintenue axialement par une coupelle annulaire 30. La coupelle annulaire 30 comporte un flasque annulaire 31 s'étendant radialement vers l'extérieur. Son extrémité radiale extérieure se termine par un bec annulaire cylindrique 32 d'axe Y dirigé vers l'amont. La coupelle annulaire 30 est reliée à des vrilles radiales 41, 42, ici au nombre de deux, par l'intermédiaire de son bec annulaire 32 qui est lié, par exemple par brasage, à un bec 43 de forme correspondante disposé à l'extrémité amont extérieure des vrilles 41 et 42. Un espace est ménagé axialement entre le flasque annulaire 31 de la coupelle annulaire 30 et les vrilles radiales 41, 42 de façon à autoriser le débattement radial de la traversée coulissante 20. Cet espace constitue un logement 33, défini par une paroi amont 33a, une paroi aval 33b et une paroi transversale 33c. Le logement 33 a la forme d'une rainure annulaire dont le diamètre extérieur est supérieur au diamètre extérieur du flasque annulaire 23 de la traversée coulissante 20. Le débattement radial de la traversée coulissante 20 permet de compenser les déplacements relatifs entre l'injecteur 80 et le dispositif d'injection 100 et ainsi de garantir un bon positionnement relatif entre l'injecteur et le dispositif d'injection.
Les vrilles 41, 42 sont munies d'un venturi 50 et sont reliées par leur extrémité aval à un bol 60. Le bol 60 est fixé par l'intermédiaire d'un déflecteur 70 au fond de chambre 8. Le débattement radial de la traversée coulissante 20 n'est possible que si un jeu axial J existe entre la traversée coulissante et la coupelle annulaire, c'est à dire que le logement 33 dans lequel se place la traversée coulissante doit avoir une épaisseur 34 supérieure à l'épaisseur 24 du flasque annulaire 23 de la traversée coulissante 20. Ce jeu axial J, de l'ordre de 2 à 3 dixièmes de millimètre, autorise donc aussi un léger déplacement axial de la traversée coulissante dans son logement 33, ce qui entraîne des vibrations de celle-ci et une usure prématurée au niveau des surfaces de contact entre la traversée coulissante et la paroi amont et/ou aval de son logement d'une part, et entre la traversée coulissante et l'injecteur d'autre part. Cette usure entraîne une diminution de la durée de vie des pièces concernées ainsi qu'une fuite d'air entre l'amont et l'aval du dispositif d'injection ce qui est néfaste à son bon fonctionnement.
La figure 4 montre une vue schématique détaillée, en coupe, d'un dispositif d'injection 100 selon l'invention. Le dispositif d'injection 100 selon l'invention comporte, disposés de l'amont vers l'aval, une traversée coulissante 20 liée à une ou plusieurs vrilles radiales 41, 42 équipées d'un venturi 50. Les vrilles radiales sont liées en aval à un bol 60 lui-même lié à un déflecteur 70. La traversée coulissante 20 est conforme à l'art antérieur et est composée d'une partie conique convergente 21, se prolongeant en une partie cylindrique 22 munie à son extrémité d'un flasque annulaire 23 s'étendant radialement vers l'extérieur. La traversée coulissante est reliée aux vrilles radiales 41, 42 par l'intermédiaire d'une coupelle annulaire 30 dont la forme générale est similaire à l'art antérieur. La coupelle annulaire 30 comporte un flasque annulaire 31 s'étendant radialement vers l'extérieur et se prolongeant par un bec annulaire cylindrique 32 d'axe Y dirigé vers l'amont. Le bec annulaire 32 est lié, par exemple par brasage, à un autre bec annulaire cylindrique 43, de forme correspondante, prolongeant en amont l'extrémité radiale extérieure des vrilles 41, 42. Le flasque annulaire 31 de la coupelle annulaire retient axialement la traversée coulissante 20 au niveau de son flasque annulaire 23. Un logement 33 est ménagé entre le flasque annulaire 31 de la coupelle annulaire 30, le bec annulaire 43 des vrilles 41, 42 et les vrilles 41, 42. Ce logement 33, défini par une paroi amont 33a, une paroi aval 33b et une paroi transversale 33c, a la forme d'une rainure annulaire dont l'épaisseur est repérée 34. Selon l'invention, le maintien axial de la traversée coulissante 20 est réalisé au niveau de son flasque annulaire 23, en amont grâce au flasque annulaire 31 de la coupelle annulaire 30, et en aval grâce à une rondelle amortisseur 90. Sur l'exemple de la figure 4, la rondelle amortisseur 90 est disposée dans le logement 33, entre la traversée coulissante 20 et les vrilles radiales 41, 42, mais elle pourrait tout aussi bien être positionnée entre la coupelle annulaire 30 et la traversée coulissante 20. Le diamètre intérieur 91 de la rondelle amortisseur 90 est
inférieur au diamètre extérieur du flasque annulaire 23 de la traversée coulissante 20. Son diamètre extérieur 92 est supérieur au diamètre extérieur du flasque annulaire 23 de la traversée coulissante 20 et a une valeur proche de celle du diamètre extérieur du logement 33. Selon l'exemple illustré à la figure 5a, la rondelle amortisseur 90 peut être en forme de S, mais elle pourrait aussi être de forme ondulée, comme illustré à la figure 5b, ou encore plane sous la forme d'un anneau s'étendant radialement vers l'extérieur. Dans le cas d'une rondelle amortisseur 90 en S ou ondulée, c'est sa forme qui lui confère de la souplesse selon la direction axiale. Dans le cas d'une rondelle amortisseur plane, la souplesse sera donnée par le matériau en lui-même. Bien entendu, il est possible d'adapter la souplesse de la rondelle amortisseur en faisant varier à la fois sa forme, son épaisseur et son matériau. La distance axiale 91 entre la face amont 92 et la face aval 93 de la rondelle amortisseur est telle que la rondelle amortisseur plaque axialement la traversée coulissante 20 contre la coupelle annulaire 30 avec une légère précontrainte. Ceci est obtenu en s'assurant que, avant que la traversée coulissante et la rondelle amortisseur soient mises en place dans le logement 33, la somme entre l'épaisseur 24 du flasque annulaire 23 de la traversée coulissante 20 et la distance axiale 91 entre la face amont 92 et la face aval 93 de la rondelle amortisseur 90, est supérieure à la l'épaisseur 34 du logement 33, c'est à dire :
avant montage : épaisseur 24 + distance 91 > épaisseur 34 25 Ainsi, grâce à la précontrainte appliquée sur la traversée coulissante conjuguée à la souplesse de la rondelle amortisseur, les vibrations qui peuvent apparaître au niveau de la traversée coulissante sont amorties, voire supprimées. De plus, puisque la rondelle amortisseur est souple, la 30 traversée coulissante conserve une possibilité de déplacement radial dans le logement 33, et ainsi assure toujours sa fonction de liaison et de maintien en position de l'injecteur 80. Grâce à l'invention, les usures qui apparaissaient au niveau de la surface de contact entre la traversée coulissante et l'injecteur sont 35 minimisées, voire sont supprimées, ce qui permet d'augmenter la durée de vie de ces deux pièces, de s'affranchir d'éventuelles fuites d'air dues aux usures. De plus, l'invention peut très facilement être mise en oeuvre sur des dispositifs d'injection existants, sa mise en place ne nécessitant pas de modifications importantes des pièces.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, le dispositif d'injection ayant une symétrie de révolution autour d'un axe Y et comportant, disposés d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, une traversée coulissante (20), reliée par une coupelle annulaire (30) à une ou plusieurs vrilles radiales ou axiales (41, 42), la traversée coulissante comportant une partie amont conique convergente (21) se prolongeant en une partie cylindrique (22) d'axe Y, cette partie cylindrique étant munie à son extrémité aval d'un flasque annulaire (23) s'étendant radialement vers l'extérieur, la coupelle annulaire (30) comportant un flasque annulaire (31) s'étendant radialement vers l'extérieur et se terminant par un bec annulaire cylindrique (32) d'axe Y dirigé vers l'amont, les vrilles étant munies d'un bec annulaire cylindrique (43) d'axe Y entourant le bec annulaire (32) de la coupelle annulaire (30) et délimitant, avec le flasque annulaire (31) de la coupelle annulaire et les vrilles, un logement (33) muni de parois (33a, 33b, 33c) dans lequel est disposé le flasque annulaire (23) de la traversée coulissante (20), caractérisé en ce qu'une rondelle amortisseur (90) souple selon la direction axiale est insérée dans le logement (33), la rondelle amortisseur (90) étant en contact avec le flasque annulaire (23) de la traversée coulissante (20) et une paroi (33a, 33b) du logement (33).
2. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rondelle amortisseur (90) et le flasque annulaire (23) de la traversée coulissante (20) sont disposés dans le logement (33) avec une précontrainte selon la direction axiale.
3. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, avant montage, le flasque annulaire (23) de la traversée coulissante (20), la rondelle amortisseur (90) et le logement (33) ont des épaisseurs selon la direction axiale telles que la somme des épaisseurs du flasque annulaire (23) de la traversée coulissante et de la rondelle amortisseur (90) est supérieure à l'épaisseur du logement (33).
4. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce la rondelle amortisseur (90) a une section selon un plan 5 comprenant l'axe Y qui est en forme de S.
5. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la rondelle amortisseur (90) a une section selon un 10 plan comprenant l'axe Y qui est ondulée.
6. Chambre de combustion comprenant une paroi interne, une paroi externe (7), un fond de chambre (8) caractérisée en ce qu'elle est munie d'au moins un dispositif d'injection selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes.
7. Turbomachine munie d'une chambre de combustion selon la revendication 6.
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