FR2950389A1 - Injecteurs a melange pauvre dotes d'une pluralite de circuits de pilotage - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un injecteur de carburant (100) pour un turbomoteur comprenant un corps porte-injecteur (106) définissant un axe central (110) et possédant un circuit de carburant principal (112). Un circuit d'air (114) est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit de carburant principal. Un circuit de carburant primaire de pilotage (116) est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit d'air. Un circuit de carburant secondaire de pilotage (118) est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit d'air et du côté extérieur du circuit de carburant pilote primaire.
Description
INJECTEURS À MÉLANGE PAUVRE DOTÉS D'UNE PLURALITÉ DE CIRCUITS DE PILOTAGE
ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention
La présente invention concerne des injecteurs et des buses de carburant et plus particulièrement des injecteurs et des buses pour des turbomoteurs. 2. État de la technique
Un éventail de dispositifs et de procédés sont connus dans la technique de l'injection de carburant dans des turbomoteurs. Un grand nombre de ces dispositifs 15 ont pour fonction d'injecter du carburant dans les chambres de combustion des turbomoteurs tout en réduisant les émissions indésirables. La régulation accrue des émissions des turbomoteurs s'est accompagnée du développement d'un certain nombre de concepts visant à réduire les émissions de polluants tout en améliorant le rendement et l'exploitabilité des moteurs. 20 Les turbomoteurs modernes sont notamment conçus pour produire les températures nécessaires à une combustion à haute température et garantes d'un rendement thermique optimal sur une plage de conditions de fonctionnement des moteurs. La combustion à haute température minimise les émissions de certains produits de 25 combustion gazeux indésirables, tels que le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures non brûlés (UHC), ainsi que les matières particulaires, parmi d'autres. Or, la combustion à haute température a également tendance à former davantage d'oxydes d'azote (NON). II convient donc de prendre les mesures nécessaires à un fonctionnement efficace du point de vue thermique dans une plage 30 de températures propre à réduire au minimum la formation de NON, de CO et d'UHC.
Un procédé souvent utilisé dans le but de réduire les émissions indésirables est l'injection de carburant étagée, consistant à diviser le processus de combustion en 35 au moins deux zones ou étages, généralement séparés d'une distance physique 10 autorisant toutefois un certain degré d'interaction. Chaque étage est conçu pour offrir une certaine plage d'exploitation tout en permettant la maîtrise des niveaux de formation de polluants. Pour un fonctionnement à faible puissance, seul l'étape de pilotage est actif. Pour des conditions de fonctionnement à des puissances plus élevées, l'étage de pilotage et l'étage principal peuvent tous deux être actifs. Il est ainsi possible de réguler de façon judicieuse les rapports carburant-air pour une combustion efficace, des émissions réduites et une stabilité satisfaisante. L'étagement peut être réalisé par séparation axiale ou radiale. Les injecteurs de carburant étagés pour turbomoteurs sont bien connus dans la technique.
Il s'avère toutefois difficile d'assurer un fonctionnement à faibles émissions, efficace du point de vue thermique sur la plage de conditions de fonctionnement de plus en plus large des turbomoteurs de conception moderne. Par ailleurs, dans des conditions de fonctionnement à faible puissance, le carburant des injecteurs de carburant étagés classiques s'écoule uniquement à travers un des circuits de carburant étagés. Il convient donc de prendre les mesures nécessaires pour réguler les températures dans le circuit de carburant stagnant de façon à éviter le calaminage à l'intérieur de l'injecteur. Par le passé, des tentatives visant à prolonger la durée de vie des injecteurs ont fait appel à une isolation passive, un refroidissement actif ou une autre forme de protection des circuits de carburant des injecteurs de carburant vis-à-vis de la formation de carbone lors d'un fonctionnement à faible puissance des moteurs.
La réduction des émissions de polluants peut faire appel, outre la combustion étagée, à un mélange carburant-air complètement mélangé préalablement à la combustion, le rapport carburant-air étant inférieur au niveau stoechiométrique de façon à ce que la combustion se produise dans des conditions de mélange pauvre. Une combustion en mélange pauvre se traduit par des températures de flamme moins élevées que celles d'une combustion stoechiométrique. Comme la formation 3 0 de NON est fortement liée à la température, une température de flamme réduite se traduit par des niveaux moins élevés de NON. La technologie consistant à injecter directement du carburant liquide dans la chambre de combustion et à réaliser un mélange rapide avec l'air à des rapports carburant-air pauvres porte le nom d'injection directe en mélange pauvre (LDI). 35 Le brevet américain n° 6 389 815 délivré à Hura et coll. décrit un système d'injection directe en mélange pauvre, lequel utilise une combustion à étagement radial à l'intérieur d'un injecteur unique. L'alimentation en carburant de pilotage est du type à « coupelle de turbulence » présenté dans le brevet américain n° 3 899 884 délivré à Ekstedt, dans lequel un atomiseur de turbulence sous pression pulvérise du carburant liquide sur une surface de formation de film où le film liquide se décompose en gouttelettes sous l'effet de l'air de refoulement du compresseur. Le système d'alimentation en carburant principal utilise une série d'atomiseurs discrets qui assurent une pulvérisation radiale vers l'extérieur produisant un écoulement transversal turbulent d'air. L'alimentation en carburant principal est étagée radialement vers l'extérieur du pilote et s'effectue en mode à mélange pauvre. La séparation de la zone de combustion de pilotage de la zone de combustion principale se fait radialement et au moyen d'un jet d'air orienté radialement entre les deux zones de combustion.
Le brevet américain n° 6 272 840 délivré à Crocker et coll. décrit un système d'injection directe en mélange pauvre, lequel utilise également une combustion à étagement radial à l'intérieur d'un injecteur unique. L'alimentation en carburant de pilotage est d'un type à jet d'air à débit simple ou d'un type à jet porté à formation de film préalable, et le système d'alimentation en carburant principal est d'un type à jet d'air à formation de film préalable. L'étagement radial des zones de combustion de pilotage et principale est obtenu en maintenant l'orientation axiale de la zone de combustion de pilotage sans zone de recirculation centrale.
La demande de brevet britannique n° GB 2 451 517 délivrée à Shui-Chi et coll. décrit un circuit de pilotage divisé en circuits de carburant primaire et secondaire. Le circuit primaire comporte un atomiseur sous pression (à débit simple) sur l'axe longitudinal, utilisé pour le fonctionnement à faible puissance. Le circuit de pilotage secondaire occupe une position radiale du côté extérieur du circuit primaire et prend la forme d'orifices répartis sur la circonférence et orientés vers l'axe longitudinal. Ces orifices répartis sur la circonférence sont sensibles à la formation de carbone tant à l'extérieur qu'à l'intérieur.
Ces procédés et systèmes classiques remplissent d'une manière générale leur fonction de façon satisfaisante. II subsiste toutefois dans la technique toujours un besoin de disposer d'un fonctionnement étagé dans un mode où seul le pilotage fonctionne, ceci pendant une partie importante de la montée en charge de fonctionnement tout en réduisant les impératifs en matière de pression d'alimentation en carburant et les risques de formation de carbone. Il subsiste également dans la technique un besoin de procédés et de dispositifs de ce type qui soient de réalisation et d'utilisation simples. La présente invention répond à ces besoins.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un injecteur de carburant inédit et utile destiné à un turbomoteur. L'injecteur de carburant comporte un corps porte-injecteur définissant un axe central et possédant un circuit de carburant principal. Un circuit d'air est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit de carburant principal. Un circuit de carburant primaire de pilotage est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit d'air. Un circuit de carburant secondaire de pilotage est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit d'air et du côté extérieur du circuit de carburant primaire de pilotage.
Selon certains modes de réalisation, l'injecteur de carburant comporte en outre un circuit d'air de pilotage du côté intérieur du circuit de carburant secondaire de pilotage. Le circuit de carburant primaire de pilotage est du côté intérieur du circuit d'air de pilotage. Le circuit de carburant principal et/ou le circuit de carburant secondaire de pilotage peut/peuvent comporter un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film, lequel peut être un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film divergent. Il est également envisagé que le circuit de carburant primaire de pilotage puisse comporter un atomiseur à turbulence sous pression, lequel peut être défini dans un élément intérieur à turbulence d'air sur l'axe du corps porte-injecteur.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de carburant primaire de pilotage comporte un atomiseur de turbulence sous pression primaire sur l'axe du corps porte-injecteur. Le circuit de carburant secondaire de pilotage peut comporter un atomiseur secondaire à turbulence sous pression du côté extérieur de l'atomiseur primaire à turbulence sous pression. Les atomiseurs primaire et secondaire à turbulence sous pression peuvent être combinés sous la forme d'un atomiseur à deux orifices.
Il est également envisagé que, dans certains modes de réalisation, chacun des circuits de carburant primaire et secondaire de pilotage comporte un orifice d'atomisation distinct. L'injecteur de carburant peut comporter un circuit d'air extérieur formé dans le corps porte-injecteur du côté extérieur du circuit de carburant principal. Le circuit de carburant primaire de pilotage peut être conçu et adapté de sorte que son coefficient de débit soit inférieur à celui du circuit de carburant secondaire de pilotage.
L'invention propose également un injecteur pour un turbomoteur, comportant un bras d'alimentation en carburant agencé et adapté de manière à acheminer le carburant provenant d'un circuit de carburant principal, d'un circuit de carburant primaire de pilotage et d'un circuit de carburant secondaire de pilotage pour en réaliser la combustion dans une chambre de combustion du turbomoteur. Un corps porte-injecteur dépend du bras d'alimentation en carburant et comporte un élément de formation préalable de film principal définissant un axe. Un élément à turbulence de carburant principal est prévu du côté intérieur de l'élément de formation préalable 2 0 de film principal. L'élément à turbulence de carburant principal et l'élément de formation préalable de film principal définissent entre eux une partie du circuit de carburant principal. Au moins un élément à turbulence d'air est placé du côté intérieur de l'élément à turbulence de carburant principal. L'élément à turbulence de carburant principal et le(s) élément(s) à turbulence d'air définissent entre eux au 25 moins un circuit d'air. Un atomiseur primaire de pilotage est placé du côté intérieur du (des) élément(s) à turbulence d'air. L'atomiseur primaire de pilotage forme une partie du circuit de carburant primaire de pilotage. Un élément de formation préalable de film secondaire pour le pilotage est monté du côté intérieur de l'élément à turbulence d'air et du côté extérieur de l'atomiseur primaire de pilotage. 30 Un élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage est placé du côté intérieur de l'élément de formation préalable de film secondair pour le pilotage et du côté extérieur de l'atomiseur primaire de pilotage. L'élément de formation préalable de film secondaire pour le pilotage et l'élément à turbulence de carburant secondaire pour le pilotage forment entre eux une partie du circuit de carburant 35 secondaire de pilotage.
L'invention propose également un injecteur pour un turbomoteur, comportant un atomiseur de carburant principal annulaire. L'injecteur comporte un bras d'alimentation en carburant conçu et adapté de manière à acheminer le carburant provenant d'un circuit de carburant principal, d'un circuit de carburant primaire de pilotage et d'un circuit de carburant secondaire de pilotage pour en réaliser la combustion dans une chambre de combustion du turbomoteur. Un corps porte-injecteur dépend du bras d'alimentation en carburant et comporte un atomiseur de carburant principal annulaire définissant un axe. L'atomiseur de carburant principal est un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film et définit une partie du circuit de carburant principal. Un atomiseur de carburant primaire de pilotage est placé du côté intérieur de l'atomiseur de carburant principal annulaire. L'atomiseur de carburant primaire de pilotage est un atomiseur à turbulence sous pression et définit une partie du circuit de carburant primaire de pilotage. Un atomiseur de carburant secondaire de pilotage est placé du côté intérieur de l'atomiseur de carburant principal et du côté extérieur de l'atomiseur de carburant primaire de pilotage. L'atomiseur de carburant secondaire de pilotage est un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film et définit une partie du circuit de carburant secondaire.
Ces caractéristiques des systèmes et procédés de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à l'homme versé dans la technique à la lecture de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation préférés associée aux dessins. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
De façon à ce que l'homme versé dans la technique à laquelle a trait la présente invention comprenne aisément comment réaliser et utiliser les dispositifs et 30 procédés de la présente invention sans expérimentation excessive, des modes de réalisation préférés de celle-ci vont être décrits en détail ci-dessous en référence à certaines figures, dans lesquelles :25 la figure 1 est une vue en perspective partiellement écorchée d'un exemple de mode de réalisation d'un injecteur de carburant construit selon la présente invention, illustrant l'injecteur dans une chambre de combustion d'un turbomoteur ; la figure 2 est une vue en élévation de côté en coupe transversale d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 1, illustrant les circuits de carburant et d'air dans la partie buse de l'injecteur de carburant ;
la figure 3 est une vue en élévation de côté en coupe transversale d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 2, illustrant un agrandissement des circuits de carburant de pilotage ;
la figure 4 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 1, illustrant les composants de buse des circuits d'air et de carburant principaux ;
la figure 5 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 1, illustrant les circuits de carburant de pilotage ; la figure 6 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 1, illustrant des composants du circuit de carburant secondaire de pilotage;
la figure 7 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 1, illustrant des composants du circuit de carburant primaire de pilotage vue de l'aval ;
la figure 8 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'injecteur de carburant de la figure 7, illustrant des composants du circuit de carburant primaire de pilotage vue de l'amont ; et
la figure 9 est une vue en élévation de côté en coupe transversale d'une partie d'un autre exemple de mode de réalisation d'un injecteur de carburant construit selon la présente invention, illustrant les circuits de carburant et d'air dans la partie buse de l'injecteur de carburant.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Il va être à présent fait référence aux dessins dans lesquels des références numériques similaires identifient des caractéristiques structurelles ou aspects similaires de la présente invention. À des fins d'explication et d'illustration, et sans but limitatif, une vue partielle d'un exemple de mode de réalisation d'un injecteur de carburant construit selon l'invention est illustré à la figure 1 et repérée d'une façon générale par la référence numérique 100. D'autres modes de réalisation d'un injecteur de carburant selon l'invention, ou des aspects de celle-ci, sont présentés aux figures 2 à 9, et seront décrits par la suite.
La publication de demande de brevet américain n° 2006/0248898, décrit des atomiseurs d'injection directe en mélange pauvre pour des turbomoteurs. La présente invention se rapporte à des injecteurs de carburant qui introduisent un mélange carburant-air dans la chambre de combustion d'un turbomoteur. L'invention se rapporte plus particulièrement à des injecteurs de carburant destinés à des systèmes de combustion à injection directe en mélange pauvre (LOI) étagée où, par exemple, environ 50% à 80% de l'air de combustion pénètre dans la chambre de combustion par l'injecteur de carburant. Un tel système est conçu pour réduire les émissions de polluants, notamment d'oxydes d'azote (NO.), de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures non brûlés (UHC).
Il existe un besoin très fort de bénéficier d'un fonctionnement dans un mode de pilotage uniquement pendant une partie importante de la poussée de fonctionnement, à hauteur par exemple de 50% à 70% de puissance, voire davantage. Or, comme il est souhaitable d'obtenir une bonne atomisation sur toute la plage de fonctionnement produisant un fort taux de variation de débit, la taille des points de dosage de l'élément de pilotage est régie par des contraintes extérieures 3 0 telle que la capacité de pompage, les limites de pression du collecteur et les impératifs de refroidissement. La présente invention permet l'étagement de la zone de pilotage en sous-composants de façon à accroître la poussée de fonctionnement en modes de pilotage uniquement sans dépasser des limites de pression souhaitables. L'élément de pilotage est séparé en circuits de carburant primaire et secondaire de pilotage, ceux-ci pouvant prendre des formes diverses, comme on le décrit ci-dessous.
Comme l'illustre la figure 1, un injecteur 100 de carburant pour un turbomoteur est montré monté sur une chambre de combustion 10, laquelle est illustrée partiellement écorchée. L'injecteur 100 de carburant comporte un bras d'alimentation allongé 102 possédant une partie admission 104 destinée à recevoir du carburant à une extrémité, et un corps porte-injecteur 106 dépendant de l'extrémité opposée du bras d'alimentation 102 et destiné à émettre du carburant atomisé dans la chambre de combustion d'un turbomoteur. Une bride de fixation 108 montée à proximité de la partie admission 104 sert à fixer l'injecteur 100 de carburant au carter d'un turbomoteur. Le bras d'alimentation 102 en carburant comporte des conduits de carburant permettant d'acheminer le carburant provenant d'un circuit de carburant principal 112, d'un circuit de carburant primaire de pilotage 116 et d'un circuit de carburant secondaire de pilotage 118 pour réaliser son atomisation et sa combustion, comme indiqué à la figure 2. Comme l'illustre la figure 1, la partie admission 104 de l'injecteur 100 comporte trois admissions 103 de carburant, une pour chacun des trois circuits de carburant susmentionnés. Le carburant externe à l'injecteur est amené aux trois circuits de carburant par les trois admissions respectives de la partie admission 104, d'où il est acheminé à travers des conduits ménagés dans le bras d'alimentation 102 et éjecté du corps porte-injecteur 106 dans la chambre de combustion 10.
En référence à présent à la figure 2, le corps porte-injecteur 106 définit un axe central 110 et comporte un circuit de carburant principal 112. Un circuit d'air 114 est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur 106 du côté intérieur du circuit de carburant principal 112. Comme l'illustre la vue agrandie de la coupe de la section de pilotage à la figure 3, le corps porte-injecteur 106 comporte également un circuit de carburant primaire de pilotage 116 et un circuit de carburant secondaire de pilote 118. Le circuit de carburant primaire de pilotage 116 est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur 106 du côté intérieur du circuit de carburant secondaire de pilotage 118 sur l'axe longitudinal du corps porte-injecteur 106, autrement dit sur l'axe 110. Le circuit de carburant secondaire de pilotage 118 est formé à l'intérieur du corps porte-injecteur 106 du côté intérieur du circuit d'air 114 et du côté extérieur du circuit de carburant primaire de pilotage 116.
En référence à suivre aux figures 4 à 8, les composants du corps porte-injecteur 106 définissant les circuits d'air et de carburant susmentionnés vont être décrits en commençant par les composants extérieurs et en progressant généralement vers l'intérieur en direction de l'axe 110. La partie radialement extérieure du corps porte-injecteur 106 comporte un chapeau d'air extérieur 120 et un élément de turbulence d'air extérieur 122 du côté intérieur du chapeau d'air extérieur 120. Un circuit d'air extérieur 124, indiqué à la figure 2, est défini entre le chapeau d'air 120 et l'élément de turbulence d'air extérieur 122, lequel comporte des aubes de turbulence destinées à émettre de l'air turbulent du côté extérieur d'une pulvérisation de carburant émise par le circuit de carburant principal 112. Comme l'illustre la figure 4, un élément de formation préalable de film principal 126 est placé du côté intérieur du chapeau d'air 120 et de l'élément de turbulence d'air extérieur 122 généralement concentriquement à ceux-ci. Un élément à turbulence de carburant principal 128 est placé du côté intérieur de l'élément de formation préalable de film principal 126. L'élément à turbulence de carburant principal 128 et l'élément de formation préalable de film principal 126 définissent entre eux une partie du circuit de carburant principal 112, comme indiqué à la figure 2. L'élément à turbulence principal 128 et l'élément de formation préalable de film principal 126 définissent un atomiseur à formation préalable de film généralement annulaire qui est concentrique à l'axe central 110 et constitue un atomiseur à jet d'air divergent à formation préalable de film .
En référence à la figure 4, un protecteur thermique 130 est placé du côté intérieur de l'élément à turbulence de carburant 128 pour favoriser l'isolement thermique du carburant à l'intérieur du circuit de carburant principal 112 et y réduire voire éliminer ainsi le risque de calaminage. L'élément à turbulence d'air principal 132 est placé du côté intérieur du protecteur thermique 130 et de l'élément à turbulence de carburant 128. L'élément à turbulence d'air principal 132 comporte des aubes rotatives similaires à celles de l'élément à turbulence d'air extérieur 122 et destinées à émettre un écoulement turbulent d'air du côté intérieur du carburant pulvérisé depuis la chambre de formation préalable de film du circuit de carburant principal 112. Comme l'illustre la figure 2, la partie aval de l'élément à turbulence d'air principal 132 est conique et diverge par rapport à l'axe 110 de manière à orienter l'air s'écoulant à travers le circuit d'air principal 114 dans une direction divergente vers le carburant émis par le circuit de carburant principal 112.
En référence à nouveau à la figure 4, un élément à turbulence d'air intermédiaire 134 est placé radialement vers l'intérieur de l'élément à turbulence d'air principal 132, un circuit d'air intermédiaire 136 illustré à la figure 2 étant ainsi défini entre ces deux éléments. Le circuit d'air intermédiaire 136 forme un film d'air de refroidissement le long de la surface intérieure divergente aval de l'élément à turbulence d'air principal 132 de manière à la protéger de tous dommages et avaries thermiques. L'élément à turbulence d'air intermédiaire 134 et la partie divergente de l'élément à turbulence d'air 132 sont facultatives. L'homme versé dans la technique comprendra aisément que dans certaines applications indiquées, le circuit d'air principal 114 peut être rectiligne plutôt que divergent, par exemple.
En référence aux figures 4 et 5, un élément à turbulence d'air de pilotage 138 à aubes rotatives est placé à l'intérieur de l'élément de turbulence d'air intermédiaire 134 de façon à définir un circuit d'air de pilotage 140, lequel est illustré aux figures 2 et 3 entre l'élément à turbulence d'air intermédiaire 134 et l'élément à turbulence d'air de pilotage 138. La partie aval de l'élément à turbulence d'air intermédiaire 134 converge vers l'axe 110 pour diriger l'air issu du circuit d'air de pilotage 140 vers l'intérieur en direction du carburant émis par les circuits de carburant primaire et/ou secondaire de pilotage 116, 118. Le carburant dans les circuits de carburant respectifs passe du bras d'alimentation 102 au corps porte-injecteur 106 en traversant l'organe 107 du corps porte-injecteur, illustré à la figure 5.
Le circuit de carburant secondaire de pilotage 118 est protégé de l'air à haute température refoulé par le compresseur et traversant le circuit d'air de pilotage 140 au moyen de l'élément à turbulence d'air de pilotage 138 et du conduit de carburant 142 du côté intérieur à l'élément à turbulence d'air de pilotage 138. En référence aux figures 3 et 6 à 8, le carburant traversant le circuit de carburant secondaire de pilotage 118 pénètre entre les composants intérieur et extérieur 144 et 152, respectivement, de l'élément de turbulence de carburant secondaire de pilotage avant d'être émis par l'orifice de carburant secondaire de pilotage 146. Le conduit 148 sur l'axe longitudinal achemine le carburant s'écoulant dans le circuit de carburant primaire de pilotage 116 sur l'axe 110 à travers l'élément de turbulence de carburant primaire de pilote 150 et à l'intérieur du composant intérieur 152 de l'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage avant d'être émis par l'orifice de carburant primaire de pilotage 154, situé à l'intérieur de l'orifice de carburant secondaire de pilotage 146. L'élément à turbulence de carburant primaire de pilotage 150 et les composants intérieur et extérieur 144, 152 de l'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage constituent ainsi des atomiseurs de carburant primaire et secondaire de pilotage sous la forme d'un atomiseur de turbulence sous pression à deux orifices (double débit).
L'homme versé dans la technique comprendra aisément que chacun des circuits de carburant primaire et secondaire de pilotage peut comporter à la place de ce qui a été décrit ci-dessus un orifice d'atomisation distinct de type simplex. L'homme versé dans la technique comprendra aussi aisément que les divers circuits d'air et de carburant définis dans le corps porte-injecteur 106 peuvent être conçus pour induire un effet turbulent co-rotationnel ou anti-rotationnel par rapport respectivement aux flux de carburant et/ou d'air dans toute configuration adaptée sans que l'on s'écarte pour autant de l'esprit ni du cadre de l'invention.
L'injecteur 100 comprend un atomiseur à deux orifices (duplex) sur l'axe longitudinal, permettant de décomposer l'écoulement de carburant primaire de pilotage pour lui conférer un coefficient de débit relativement petit, favorisant l'allumage, une stabilité réduite et de faibles émissions aux faibles puissances. L'écoulement de carburant secondaire de pilotage adopte également un coefficient de débit relativement grand pour le fonctionnement aux puissances plus élevées sans nécessiter de pression d'alimentation en carburant extrêmement élevée. Ceci permet de faire fonctionner un turbomoteur à une position de la manette de poussée allant jusqu'à 50% à 70%, voire davantage, sans nécessiter l'activation du circuit de carburant principal 112, avec une réduction de la pression d'alimentation en carburant requise par rapport aux étages de pilotage classiques fonctionnant à des 3 0 niveaux comparables.
Une autre façon d'atteindre le même but consiste, par exemple, à maintenir un coefficient de débit relativement faible sur l'axe longitudinal, là encore pour favoriser l'allumage, une faible stabilité et de réduire les émissions aux faibles puissances, et 35 à placer radialement du côté extérieur à ce dispositif un atomiseur à jet porté à formation préalable de film bénéficiant d'un coefficient de débit plus élevé. Cette configuration permettra en outre de réduire la pression d'alimentation en carburant requise tout en autorisant un fonctionnement en mode de pilotage uniquement aux positions élevées de la manette. Un exemple d'un injecteur doté de cette configuration est décrit ci-dessous.
En référence à la figure 9, il y est illustré une partie buse 206 d'un autre exemple de mode de réalisation d'un injecteur 200 de carburant construit selon l'invention. L'injecteur 200 comporte un bras d'alimentation 202 doté de circuits de carburant principal, de carburant primaire et de carburant secondaire de pilotage 212, 216, 218, respectivement, sensiblement comme on l'a décrit ci-dessus en référence à l'injecteur 100. Le corps porte-injecteur 206 comporte un chapeau d'air extérieur 220 et un élément de turbulence d'air extérieur 222 définissant entre eux un circuit d'air extérieur 224. Du côté intérieur de l'élément de turbulence d'air extérieur 222, un élément de formation préalable de film principal 226 et un élément à turbulence de carburant principal 228 définissent entre eux une chambre de formation préalable de film principale constituant une partie du circuit de carburant principal 212, sensiblement comme on l'a décrit ci-dessus. Un élément à turbulence d'air intérieur divergent 232 est placé à l'intérieur de l'élément à turbulence de carburant principal 228, un circuit d'air principal 214 étant défini entre eux. Un élément à turbulence d'air intermédiaire 234 est placé à l'intérieur de l'élément à turbulence d'air principal 232 pour produire un flux d'air de refroidissement, comme on l'a décrit ci-dessus.
L'injecteur 200 diffère de l'injecteur 100 notamment en ce que le circuit de carburant secondaire 218 dans l'injecteur 200 comporte un atomiseur de formation préalable de film au lieu d'un atomiseur à turbulence sous pression. À ce titre, l'injecteur 200 comporte deux circuits d'air de pilotage, à savoir des circuits d'air de pilotage intérieur et extérieur, alors que l'injecteur 100 ne comporte pas de circuit d'air de 3 0 pilotage intérieur. L'atomiseur à formation préalable de film du circuit de carburant secondaire de pilotage 218 est décrit ci-dessous.
Un élément à turbulence d'air de pilotage extérieur 238 est placé à l'intérieur de 35 l'élément à turbulence d'air intermédiaire 234, un circuit d'air de pilotage extérieur 240 étant défini entre ces deux éléments sensiblement comme le circuit d'air de pilotage 140 décrit ci-dessus. Un élément de formation préalable de film de pilotage 270 placé à l'intérieur de l'élément à turbulence d'air de pilotage extérieur 238 s'associe à l'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage 272 pour former une chambre de formation préalable de film pour le circuit de carburant secondaire de pilotage 218. Une paroi conique de pilotage 273 est placée radialement vers l'intérieur de l'élément à turbulence 272 de manière à diriger de l'air à travers un circuit d'air intérieur secondaire 274 radialement vers l'extérieur en direction du carburant émis par la chambre de formation préalable de film du circuit de carburant secondaire de pilotage 218. La partie amont de la paroi conique de pilotage 273 comporte, sur sa surface radialement intérieure, des aubes à turbulence 276 destinées à induire un effet turbulent dans l'air traversant le circuit d'air intérieur primaire de pilotage 278. Le circuit de carburant secondaire de pilotage 218, le circuit d'air extérieur de pilotage 240 et le circuit d'air intérieur secondaire 274 forment un atomiseur à jet d'air divergent de pilotage, constituant, à bien des égards, une version à petite échelle de l'atomiseur à jet d'air principal du circuit de carburant principal 212.
Comme le montre la figure 9, le circuit d'air intérieur secondaire de pilotage 274 bifurque du circuit d'air intérieur primaire de pilotage 278 au niveau de la partie amont de la paroi conique de pilotage 273. Le circuit d'air le plus intérieur 278 produit de l'air de refroidissement pour la paroi conique de pilotage 273, favorise l'atomisation du carburant issu des circuits de carburant de pilotage, et facilite la mise en forme du flux de mélange dans la chambre de combustion. En amont de cette bifurcation se trouve un seul circuit d'air intérieur de pilote, à savoir le circuit d'air intérieur primaire de pilotage 278. L'élément à turbulence d'air amont de pilotage 280 comporte des aubes rotatives destinées à induire un effet turbulent généralisé dans le flux d'air intérieur de pilotage. L'élément à turbulence d'air amont de pilotage 280 comporte un corps non profilé central contenant un atomiseur sous pression de pilotage 282 destiné à émettre le carburant provenant du circuit de carburant primaire de pilotage 216 sur l'axe central 210 du corps porte-injecteur 206. Le circuit de carburant primaire de pilotage peut être conçu et adapté de sorte que son débit soit inférieur à celui du circuit de carburant secondaire de pilotage.
La gestion thermique des trois circuits de carburant dans les injecteurs 100, 200 peut être accomplie par refroidissement, le carburant circulant au moins dans le circuit de carburant primaire de pilotage lors d'un fonctionnement du moteur à faible puissance pour refroidir les deux autres circuits de carburant inactifs. D'une façon générale, dans le bras d'alimentation 102, 202, le circuit de carburant primaire de pilotage 116, 216 devrait se situer du côté extérieur des deux autres circuits de carburant 112, 212 et 118, 218, et peut être maintenu à proximité immédiate des deux autres circuits de carburant 112, 212 et 118, 218 à l'intérieur du corps porte-injecteur, respectivement. Ces techniques de gestion thermique sont décrites dans le brevet américain n° 7 506 510 ayant le même demandeur. L'ordre des circuits de carburant indiqué ici n'est donné qu'à titre d'exemple et l'homme versé dans la technique comprendra aisément qu'il est possible de modifier l'ordre des circuits de carburant en fonction d'applications particulières sans s'écarter pour autant de l'esprit ni du cadre de l'invention.
L'injecteur 100 de la figure 2 bénéficie d'une gestion thermique avantageuse du carburant dans les circuits de carburant de pilotage, et d'une plus grande marge de réglage effective. Si une conception d'injecteur existante incorpore déjà un circuit de carburant de pilotage sur l'axe longitudinal, il est alors possible de la modifier pour intégrer des circuits de carburant de pilotage primaire et secondaire, à l'instar de l'injecteur 100, sans nécessiter une modification d'enveloppe. L'injecteur 200 de la figure 9 bénéficie également de propriétés supérieures, notamment des avantages associés à une atomisation à jet d'air dans les circuits de carburant de pilotage.
Les procédés et systèmes de la présente invention, décrits ci-dessus et illustrés dans les dessins, produisent des injecteurs de carburant dotés de propriétés supérieures, notamment d'un fonctionnement étagé en mode de pilotage uniquement pendant une partie importante de la poussée en fonctionnement. Ce fonctionnement s'accompagne d'une réduction de la pression d'alimentation en 3 0 carburant exigée et du risque d'une formation de carbone due à la décomposition thermique du carburant.
Si les systèmes et procédés de la présente invention ont été illustrés et décrits en référence à des modes de réalisation préférés, l'homme versé dans la technique 35 comprendra bien qu'il est possible d'y apporter des changements et/ou modifications sans s'écarter pour autant de l'esprit ni du cadre de la présente invention.
Claims (20)
- Revendications1. Injecteur de carburant (100) pour un turbomoteur, comprenant : a) un corps porte-injecteur (106) définissant un axe central (110) et possédant un circuit de carburant principal (112); b) un circuit d'air (114) formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit de carburant principal ; c) un circuit de carburant primaire de pilotage (116) formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit d'air ; et d) un circuit de carburant secondaire de pilotage (118) formé à l'intérieur du corps porte-injecteur du côté intérieur du circuit d'air et du côté extérieur du circuit de carburant primaire de pilotage.
- 2. Injecteur selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d'air de pilotage (140) du côté intérieur du circuit de carburant secondaire de pilotage (118), le circuit de carburant primaire de pilotage (116) étant du côté intérieur du circuit d'air de pilotage (140).
- 3. Injecteur selon la revendication 2, dans lequel le circuit de carburant principal (112) et/ou le circuit de carburant secondaire de pilotage (118) comporte(nt) un atomiseur à jet d'air divergent à formation préalable de film .
- 4. Injecteur selon la revendication 2, dans lequel le circuit de carburant primaire de pilotage (116) comporte un atomiseur à turbulence sous pression (144).
- 5. Injecteur selon la revendication 4, dans lequel l'atomiseur à turbulence sous pression (144) étant défini dans un élément à turbulence d'air intérieur sur l'axe du corps porte-injecteur (106). 3 0
- 6. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de carburant primaire de pilotage (116) comporte un atomiseur à turbulence sous pression primaire (144) sur l'axe du corps porte-injecteur.
- 7. Injecteur selon la revendication 6, dans lequel le circuit de carburant 35 secondaire de pilotage (118) comporte un atomiseur à turbulence sous pression 1725secondaire (152) du côté extérieur de l'atomiseur de turbulence sous pression primaire.
- 8. Injecteur selon la revendication 7, dans lequel les atomiseurs à turbulence sous pression primaire et secondaire (144, 152) sont combinés sous la forme d'un atomiseur à deux orifices.
- 9. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel chacun des circuits de carburant primaire et secondaire (116, 118) de pilotage comporte un orifice d'atomisation distinct (154, 148).
- 10. Injecteur selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d'air extérieur (224) formé dans le corps porte-injecteur (106) du côté extérieur du circuit de carburant principal (112).
- 11. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel le circuit de carburant primaire de pilotage (116) est configuré et adapté pour que son débit soit inférieur à celui du circuit de carburant secondaire de pilotage (118). 20
- 12. Injecteur (100) pour un turbomoteur, comprenant : a) un bras d'alimentation en carburant (102) configuré et adapté de manière à acheminer le carburant provenant d'un circuit de carburant principal (112), d'un circuit de carburant primaire de pilotage (116) et d'un circuit de carburant secondaire de pilotage (118) pour en réaliser la combustion dans une chambre de 25 combustion (10) du turbomoteur ; b) un corps porte-injecteur (106) dépendant du bras d'alimentation en carburant (102) et comportant un élément de formation préalable de film principal (126) définissant un axe ; c) un élément à turbulence de carburant principal (128) du côté intérieur de 30 l'élément de formation préalable de film principal (126), l'élément à turbulence de carburant principal et l'élément de formation préalable de film principal définissant entre eux une partie du circuit de carburant principal (112); d) au moins un élément à turbulence d'air (132, 134) du côté intérieur de l'élément à turbulence de carburant principal (128), l'élément à turbulence de15carburant principal et le(s) élément(s) de turbulence d'air définissent entre eux au moins un circuit d'air (114); e) un atomiseur primaire de pilotage du côté intérieur du (des) élément(s) à turbulence d'air (132, 134), l'atomiseur primaire de pilotage formant une partie du circuit de carburant primaire de pilotage (116); f) un composant (144, 152) d'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage du côté intérieur de l'élément à turbulence d'air (132, 134) et du côté extérieur de l'atomiseur primaire de pilotage; et g) un élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage du côté intérieur du composant d'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage (144, 152) et du côté extérieur de l'atomiseur primaire de pilotage, le composant d'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage et l'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage formant entre eux une partie du circuit de carburant secondaire de pilotage (118).
- 13. Injecteur selon la revendication 12, comprenant en outre un circuit d'air de pilotage (274) du côté intérieur de l'élément à turbulence de carburant secondaire de pilotage (272), l'atomiseur primaire de pilotage (154) étant du côté intérieur du circuit d'air de pilotage.
- 14. Injecteur selon la revendication 13, dans lequel le circuit de carburant principal (112) et le circuit de carburant secondaire de pilotage (118) comportent chacun un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film. 25
- 15. Injecteur selon la revendication 13, dans lequel l'atomiseur primaire de pilotage (154) est un atomiseur à turbulence sous pression.
- 16. Injecteur selon la revendication 15, dans lequel l'atomiseur à turbulence sous pression est défini dans un élément à turbulence d'air intérieur sur l'axe du 30 corps porte-injecteur (106).
- 17. Injecteur selon la revendication 12, dans lequel le circuit de carburant primaire de pilotage (116) comporte un atomiseur à turbulence sous pression primaire (144) sur l'axe du corps porte-injecteur, et le circuit de carburant 35 secondaire (118) de pilotage comporte un atomiseur à turbulence sous pression20secondaire (152) du côté extérieur de l'atomiseur à turbulence sous pression primaire.
- 18. Injecteur selon la revendication 17, dans lequel les atomiseurs à turbulence sous pression primaire et secondaire (144, 152) sont combinés sous la forme d'un atomiseur à deux orifices.
- 19. Injecteur selon la revendication 12, le circuit de carburant secondaire de pilotage (118) comporte un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film. 10
- 20. Injecteur (100) pour un turbomoteur, comprenant : a) un bras d'alimentation en carburant (102) configuré et adapté de manière à acheminer le carburant provenant d'un circuit de carburant principal (112), d'un circuit de carburant primaire de pilotage (116) et d'un circuit de carburant 15 secondaire de pilotage (118) pour en réaliser la combustion dans une chambre de combustion (10) du turbomoteur ; b) un corps porte-injecteur (106) dépendant du bras d'alimentation en carburant (102) et comportant un atomiseur de carburant principal annulaire définissant un axe, l'atomiseur de carburant principal étant un atomiseur à jet d'air à formation 20 préalable de film et définissant une partie du circuit de carburant principal (112); c) un atomiseur de carburant primaire de pilotage du côté intérieur de l'atomiseur de carburant principal annulaire, l'atomiseur de carburant primaire de pilotage étant un atomiseur à turbulence sous pression et définissant une partie du circuit de carburant primaire de pilotage (116); et 25 d) un atomiseur de carburant secondaire de pilotage du côté intérieur de l'atomiseur de carburant principal et du côté extérieur de l'atomiseur de carburant primaire de pilotage, l'atomiseur de carburant secondaire de pilotage étant un atomiseur à jet d'air à formation préalable de film et définissant une partie du circuit de carburant secondaire de pilotage (118).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TP | Transmission of property |
Owner name: ROLLS ROYCE PLC, GB Effective date: 20141230 |
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Year of fee payment: 6 |
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| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20160916 |
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