FR2987428A1 - Liaison mecanique amelioree entre un nez d'injecteur et une bague de traversee d'un systeme d'injection pour chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un agencement pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant un système d'injection (32) d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, ainsi qu'un injecteur de carburant (100) comportant un nez d'injecteur (36) présentant une surface extérieure de centrage (108) en forme de sphère tronquée, le système d'injection comprenant une bague de traversée (112) présentant un alésage (110) recevant le nez d'injecteur. Selon l'invention, l'agencement comporte de plus un système de bague intermédiaire (111) interposé entre la surface extérieure de centrage (108) et l'alésage (110), le système de bague comprenant d'une part une piste intérieure (124) de forme complémentaire de celle de la surface extérieure de centrage avec laquelle cette piste intérieure coopère de manière à former une liaison rotule avec celle-ci, et d'autre part une piste extérieure (130) de forme complémentaire de celle de l'alésage (110) avec lequel cette piste extérieure coopère.

Description

LIAISON MECANIQUE AMELIOREE ENTRE UN NEZ D'INJECTEUR ET UNE BAGUE DE TRAVERSEE D'UN SYSTEME D'INJECTION POUR CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE DESCRIPTION La présente invention se rapporte au domaine des chambres de combustion pour turbomachine, 10 de préférence pour aéronef, en particulier du type turboréacteur ou turbopropulseur. Elle concerne plus particulièrement un agencement pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant un système d'injection d'un mélange d'air et 15 de carburant dans la chambre, ainsi qu'un injecteur de carburant comportant un nez d'injecteur présentant une surface extérieure de centrage en forme de sphère tronquée, reçue dans un alésage d'une bague de traversée du système d'injection. 20 Une chambre annulaire de combustion de turbomachine d'aéronef est par exemple connue des documents EP 1 873 458 Al et EP 1 857 741 Al. Elle est équipée d'injecteurs de carburant dont une partie terminale comprend une canalisation externe d'amenée de 25 carburant sur laquelle est fixé le nez d'injecteur, habituellement par soudage. La surface extérieure de centrage du nez coopère avec la surface cylindrique de l'alésage de la bague de traversée. Ce guidage prend alors la forme d'une liaison sphère-cylindre, qui 30 présente l'avantage de pouvoir autoriser un léger désaxage entre l'axe du nez d'injecteur et l'axe du système d'injection, cet éventuel désaxage étant lié aux tolérances de fabrication. Néanmoins, cette conception est propice à l'usure des pièces en contact, en raison du contact linéaire observé au niveau de la liaison sphère-cylindre. Cette usure, provoquée par un phénomène vibratoire ainsi que par la dilatation différentielle, crée un jeu entre les deux surfaces en contact. Ce jeu, qui augmente progressivement au cours de la durée de vie de l'injecteur, nuit aux performances globales de combustion de la chambre. Il peut d'ailleurs atteindre un état d'usure qui nécessite le remplacement des pièces, tant les performances de combustion sont affectées par l'importance du jeu généré par usure.

Dans un tel cas, c'est généralement l'ensemble de la partie terminale de l'injecteur qui est remplacée, à savoir la canalisation externe d'amenée de carburant et le nez d'injecteur. Au cours de la vie des injecteurs, cela engendre des coûts inutiles de remplacement des canalisations externes, pourtant généralement en état de fonctionner, puisque non soumises à la même usure que les nez d'injecteur qu'elles portent fixement. Dans d'autres réalisations, le nez d'injecteur présente une surface cylindrique complémentaire de celle de l'alésage qui le guide. Si cela permet de diminuer le phénomène d'usure en raison d'une plus grande surface de contact entre les pièces, cette solution présente l'inconvénient, en cas de désaxage au sens décrit précédemment, d'introduire des contraintes néfastes dans l'injecteur et/ou dans le système d'injection.

L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord 5 pour objet un agencement pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant un système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, ainsi qu'un injecteur de carburant comportant un nez d'injecteur présentant une surface extérieure de 10 centrage en forme de sphère tronquée, ledit système d'injection comprenant une bague de traversée présentant un alésage recevant le nez d'injecteur. Selon l'invention, l'agencement comporte de plus un système de bague intermédiaire interposé entre 15 la surface extérieure de centrage et l'alésage, le système de bague comprenant d'une part une piste intérieure de forme complémentaire de celle de la surface extérieure de centrage avec laquelle cette piste intérieure coopère de manière à former une 20 liaison rotule avec celle-ci, et d'autre part une piste extérieure de forme complémentaire de celle de l'alésage avec lequel cette piste extérieure coopère. L'invention est remarquable en ce que le système de bague intermédiaire permet de limiter le 25 phénomène d'usure, sans provoquer de contrainte au sein de l'injecteur et du système d'injection en cas de désaxage entre ces deux derniers. La liaison rotule, assimilable à une liaison sphère-sphère, permet en effet un désaxage tout 30 en limitant les usures par frottement. La liaison cylindre-cylindre au niveau de l'alésage permet quant à elle de limiter l'usure de la bague de traversée faisant partie du système d'injection. La durée de vie des pièces de l'agencement est donc augmentée, et le phénomène vibratoire atténué par la masse supplémentaire constituée par le système de bague intermédiaire en bout d'injecteur, en contact cylindre-cylindre dans l'alésage de la bague de traversée du système d'injection. De préférence, la surface extérieure de centrage présente au moins un méplat en regard duquel se trouve un pion solidaire dudit système de bague, ledit pion permettant de limiter la rotation dudit système de bague relativement à l'alésage. De préférence, ladite surface extérieure de 15 centrage présente une pluralité de méplats espacés circonférentiellement les uns des autres, entre lesquels subsistent des portions de ladite surface en forme de sphère tronquée, dites premières portions. De plus, ladite piste intérieure du système de bague 20 présente des évidements espacés circonférentiellement les uns des autres, entre lesquels subsistent des portions de ladite piste intérieure en forme de sphère tronquée, dites secondes portions, et, enfin, lesdites premières et secondes portions sont configurées de 25 manière à coopérer ensemble afin de former ladite liaison rotule. Dans cette configuration, il est préférentiellement prévu que lesdites premières et secondes portions soient configurées de manière à 30 permettre les opérations successives suivantes : engagement des premières portions à travers lesdits évidements de la piste intérieure puis, - par rotation de la piste intérieure 5 relativement à ladite surface extérieure de centrage, mise en regard des premières et secondes portions de manière à les faire coopérer ensemble. Cette configuration permet un assemblage et un désassemblage simplifiés de l'agencement. 10 De préférence, ledit système de bague comporte deux bagues concentriques, de préférence solidarisées en rotation, par exemple par soudure. Une bague unique pourrait néanmoins être envisagée, sans sortir du cadre de l'invention. Dans tous les cas, les 15 éléments de l'agencement peuvent, si nécessaire, présenter un revêtement anti-usure pour augmenter encore davantage leur durée de vie. Dans la solution à deux bagues concentriques, il est préférentiellement fait en sorte 20 que ledit pion permettant de limiter la rotation dudit système de bague relativement à l'alésage soit porté par la bague intérieure du système de bague, et que ce pion présente une tête recouverte par la bague extérieure du système de bague. Par conséquent, en cas 25 de désolidarisation du pion, celui-ci ne peut être avalé par la chambre de combustion, étant donné qu'il est retenu par la bague extérieure. A cet égard, il est noté qu'un pion de limitation de la rotation pourrait être associé à chaque méplat de la surface extérieure 30 de centrage du nez d'injecteur, sans sortir du cadre de l'invention.

Enfin, la bague extérieure du système de bague est retenue axialement par une butée, relativement à la bague intérieure. Ici encore, cela permet à la bague extérieure de ne pas être avalée par la chambre de combustion si cette bague extérieure se désolidarise de la bague intérieure, puisque la butée permet sa retenue. L'invention a également pour objet une chambre de combustion de turbomachine comprenant au moins un agencement tel que décrit ci-dessus. De préférence, tous les agencements de la chambre sont conformes à la présente invention. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une telle chambre de 15 combustion. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. Cette description sera faite au regard des 20 dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbomachine d'aéronef comprenant une chambre annulaire de combustion selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; 25 - la figure 2 est une vue en perspective d'un injecteur équipant la chambre annulaire de combustion montrée sur la figure précédente ; - la figure 3 représente une vue en coupe plus détaillée d'une portion de la partie terminale de 30 l'injecteur de la figure 2, montée sur son système d'injection associé de la chambre de combustion ; - la figure 4 est une vue en perspective d'une bague intérieure du système de bague interposé entre le nez d'injecteur et le système d'injection ; - les figures 5a à 5e représentent 5 différentes étapes de montage du système de bague sur le nez d'injecteur. En référence tout d'abord à la figure 1, on peut voir une chambre annulaire de combustion 10 d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion, cette 10 chambre étant agencée en sortie d'un diffuseur 12, lui même situé en sortie d'un compresseur (non représenté). La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 14 et une paroi de révolution externe 16, reliées en amont à une paroi annulaire 18 15 de fond de chambre et fixées en aval par des viroles tronconiques interne 20 et externe 22 respectivement sur un voile tronconique interne 24 du diffuseur, et sur un carter externe 26 de la chambre, l'extrémité amont de ce carter étant reliée à un voile tronconique 20 externe 28 du diffuseur. Un carénage annulaire 29 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 et 18 de la chambre et comprend des orifices de passage d'air alignés avec des ouvertures 30 de la paroi 18 de fond de chambre 25 dans lesquelles sont montés des systèmes 32 d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, l'air provenant du diffuseur 12 et le carburant étant amené par des injecteurs 100 fixés sur le carter externe 26 et régulièrement répartis autour de l'axe de 30 la chambre.

Comme cela sera détaillé ci-après, chaque injecteur comprend un nez d'injecteur 36 aligné sur l'axe 38 de l'ouverture 30 correspondante. Une partie du débit d'air 40 fourni par le 5 compresseur et sortant du diffuseur 12 passe dans le système 32, et est mélangée au carburant amené par l'injecteur, et injectée dans la chambre de combustion, comme en témoignent les flèches 42, 44, 46, 48 et 50 de la figure 1. L'autre partie du débit d'air alimente des 10 canaux annulaires interne 52 et externe 54 de contournement de la chambre de combustion 10, comme cela a été schématisé par les flèches 56. A titre indicatif, le canal interne 52 est formé entre le voile interne 24 du diffuseur 12 et la 15 paroi interne 14 de la chambre, et l'air qui passe dans ce canal se partage en un débit 58 qui pénètre dans la chambre 10 par des orifices 60, 62 de la paroi interne 14 et en un débit 64 qui passe à travers des trous 66 de la virole interne 20 de la chambre pour aller 20 refroidir des composants, non représentés, situés en aval de cette chambre. Par ailleurs, le canal externe 54 est formé entre le carter externe 26 et la paroi externe 16 de la chambre, et l'air qui passe dans ce canal se divise en 25 un débit 68 qui pénètre dans la chambre 10 par des orifices 70, 72 de la paroi externe 16, et en un débit 76 qui passe à travers des trous 78 de la virole externe 22 pour aller refroidir des composants en aval. Les orifices 60, 70 sont appelés orifices 30 d'entrée d'air primaire car ils alimentent la zone dite primaire de la chambre de combustion située dans la partie amont de la chambre où les réactions de combustion du mélange d'air et de carburant ont lieu, et les orifices 62, 72 sont appelés orifices d'entrée d'air de dilution car ils alimentent la zone dite de dilution de la chambre de combustion située dans la partie aval de la chambre et dans laquelle les gaz de combustion sont dilués. La combustion du mélange d'air et de carburant est initiée dans la zone primaire de la 10 chambre au moyen d'une ou de deux bougie d'allumage (non représentée). En référence à présent à la figure 2, il est montré l'un des injecteurs 100 équipant la chambre de combustion. Tout d'abord, de manière classique, 15 celui-ci comporte un corps d'injecteur 102 de forme de révolution, agencé extérieurement par rapport au carter externe 26. A l'une des extrémités de ce corps 102 est prévue une platine de fixation 104 destinée à assurer le montage sur le carter externe, de préférence par 20 boulons (non représentés). Une canalisation externe 106 d'amenée de carburant est issue de la platine 104, et communique avec le corps 102 qui l'alimente en carburant. Cette canalisation 106 prend la forme d'un tube cheminant entre les carters 26 et 24, et présente 25 une portion coudée à proximité de l'ouverture amont du carénage annulaire 29, afin de pouvoir pénétrer au sein de celle-ci comme cela a été représenté sur la figure 1. A son extrémité 106a, la canalisation porte le nez d'injecteur 36, qui, comme représenté sur la figure 3, 30 présente une surface extérieure de centrage 108 en forme de sphère tronquée. Cette surface de centrage 108 est guidée dans un alésage 110 d'une bague de traversée 112 du système 32, via un système de bague intermédiaire 111, pour former ensemble un agencement spécifique à la présente invention.

L'extrémité amont de la bague de traversée 112 est de forme tronconique pour faciliter l'introduction du nez 36 et du système de bague 111 lors du montage de l'injecteur. L'alésage 110 peut être rainuré afin de permettre le passage du flux d'air 42 schématisé sur la figure 1. Toujours sur la figure 3, on peut apercevoir que le nez 36 renferme de façon classique une pièce annulaire d'injection 114 montrée uniquement schématiquement. Cette pièce 114 permet par exemple de réaliser une injection primaire 116 de carburant par le biais d'un orifice central 117, ainsi qu'une injection secondaire 118 de carburant par le biais d'un orifice annulaire 119 délimité entre la paroi intérieure du nez 36 et la paroi extérieure de la pièce annulaire d'injection. La partie terminale de l'injecteur, qui s'étend sous le carter 26 à partir de la canalisation 106, est ici telle que l'extrémité 106a de la canalisation 106 est montée sur le nez d'injecteur 36 à l'aide de moyens de fixation réversibles, de préférence du type à vissage, ou bien plus classiquement de façon irréversible, par exemple par soudage. Le système de bague intermédiaire 111 va maintenant être décrit, en référence aux figures 3 et 4. Dans le mode de réalisation représenté, il comprend deux bagues concentriques centrées sur l'axe 38, à savoir une bague intérieure 120 et une bague extérieure 122. La bague intérieure 120 définit une piste intérieure 124 centrée sur l'axe 38, et de forme 5 complémentaire de celle de la surface de centrage 108 avec laquelle elle coopère, de manière à former une liaison rotule. La piste 124, qui s'étend sur 360°, prend ainsi globalement la forme d'une sphère tronquée. La surface extérieure de la bague 120 est cylindrique 10 d'axe 38, de forme complémentaire de la surface intérieure 128 de la bague extérieure 122 avec laquelle elle coopère. La piste extérieure 130 de cette bague 122 est également de forme cylindrique et de section circulaire, cette forme étant complémentaire de celle 15 de l'alésage avec lequel cette piste 130 coopère, afin d'assurer un guidage du système 111. La solution retenue permet donc d'obtenir une liaison sphère-sphère entre la surface de centrage 108 et la piste intérieure 124, ainsi qu'une liaison 20 cylindre-cylindre entre la piste extérieure 130 et l'alésage. La liaison rotule précitée permet, au besoin, d'admettre un désaxage entre le nez d'injecteur et le système d'injection, selon une amplitude limitée par exemple d'un angle de l'ordre de 5 à 10° par 25 rapport à une position neutre, sans désaxage, et ce tout autour de l'axe de référence 38. D'autre part, les surfaces de contact entre les deux liaisons précitées étant étendues, l'usure des pièces par frottement reste limitée. 30 Les deux bagues 120, 122 sont solidarisées l'une à l'autre en rotation, par exemple à l'aide de cordons de soudure 132 situés à l'interface. De plus, la bague extérieure 122 présente une collerette amont 134 formant butée, interdisant à cette bague 122 de se déplacer vers l'aval relativement à la bague intérieure 120. Pour ce faire, la collerette 134 est en appui axial contre une extrémité amont du la bague 120. Par conséquent, même en cas de rupture des cordons de soudure 132, la bague extérieure ne peut s'échapper vers l'aval en direction de la chambre de combustion.

Pour faciliter le montage et le démontage de la bague intérieure 120 sur le nez d'injecteur 36, la surface extérieure de centrage 108 du nez d'injecteur présente une pluralité de méplats 140 espacés circonférentiellement les uns des autres, comme cela est visible sur la figure 2. L'étendue circonférentielle des méplats 140 est de préférence sensiblement identique à celle des portions de la surface 108 qui subsistent entre les méplats, ces portions 142 étant dites premières portions.

De manière analogue, comme cela est visible sur la figure 4, la piste intérieure 124 de la bague 120 présente des évidements 144 espacés circonférentiellement les uns des autres, entre lesquels subsistent des portions 146 de la piste intérieure en forme de sphère tronquée, ces portions 146 étant dites secondes portions. Ces évidements sont assimilables à des encoches réalisées à partir d'une partie médiane de la piste 124, et s'étendent axialement jusqu'à un bord circonférentiel amont de celle-ci.

Ici aussi, l'étendue circonférentielle des portions 146 est de préférence sensiblement identique à celle des évidements 144. Pour obtenir la liaison rotule entre le nez 36 et la bague 120, les premières et secondes portions 142, 146 sont configurées de manière à coopérer ensemble. Le processus de montage du système de bague intermédiaire 111 sur le nez d'injecteur va maintenant être décrit en référence aux figures 5a à 5e.

Tout d'abord, comme montré sur les figures 5a à 5c, le nez 36 est placé en regard axialement de la bague intérieure 120 de sorte que les premières portions 142 soient alignées deux à deux avec les évidements 144, et de sorte que les secondes portions 146 soient alignées deux à deux avec les méplats 140. Ensuite, les éléments en regard ont des formes complémentaires qui permettent leur engagement les uns dans les autres, par déplacement relatif axial entre le nez et la bague intérieure. Après cet engagement, il est opéré une rotation de la piste intérieure 124 relativement à la surface extérieure 108, qui conduit à mettre en regard radialement les premières et secondes portions 142, 146, de manière à les faire coopérer ensemble comme cela est montré sur la figure 3. Il s'agit donc d'une liaison du type à crabotage. Lorsque les premières et secondes portions coopèrent deux à deux, les évidements 144 se retrouvent également en regard radialement deux à deux avec les méplats 140. Il est prévu un pion 150 permettant de limiter la rotation du système de bague 111, relativement à l'alésage 110. Ce pion traverse, au niveau d'un évidement 144, l'épaisseur de la bague 120 sur laquelle la tête élargie du pion est en butée, son extrémité opposée étant en regard et à distance du méplat. Cette distance est suffisante pour autoriser l'amplitude limitée de mouvement de la liaison rotule, comme cela a été mentionné précédemment. Au-delà de l'amplitude autorisée, le pion 150 bloque la rotation du système de bague 111, en venant en appui sur son méplat associé 140.

Le pion 150, montré sur la figure 5d, peut être soudé à la bague 120. Quoi qu'il en soit, il est rendu prisonnier par la bague extérieure 122 qui recouvre sa tête élargie, comme montré sur la figure 5e, après avoir été insérée axialement autour de la bague intérieure 120, jusqu'au contact de la collerette 134 avec cette bague 120. Le pion 150 ne peut donc pas s'échapper accidentellement en direction de la chambre de combustion. C'est ensuite l'ensemble montré sur la figure 5e qui est glissé dans l'alésage 110 du système d'injection, par coopération de la piste extérieure 130 avec la surface cylindrique de forme complémentaire de cet alésage. Bien entendu, diverses modifications 25 peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 30

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Agencement pour chambre de combustion (10) de turbomachine, comprenant un système d'injection 5 (32) d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, ainsi qu'un injecteur de carburant (100) comportant un nez d'injecteur (36) présentant une surface extérieure de centrage (108) en forme de sphère tronquée, ledit système d'injection comprenant une 10 bague de traversée (112) présentant un alésage (110) recevant le nez d'injecteur, caractérisé en ce que l'agencement comporte de plus un système de bague intermédiaire (111) interposé entre la surface extérieure de centrage (108) 15 et l'alésage (110), le système de bague comprenant d'une part une piste intérieure (124) de forme complémentaire de celle de la surface extérieure de centrage (108) avec laquelle cette piste intérieure coopère de manière à former une liaison rotule avec 20 celle-ci, et d'autre part une piste extérieure (130) de forme complémentaire de celle de l'alésage (110) avec lequel cette piste extérieure coopère.
2. 2. Agencement selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que ladite surface extérieure de centrage (108) présente au moins un méplat (140) en regard duquel se trouve un pion (150) solidaire dudit système de bague (111), ledit pion permettant de limiter la rotation dudit système de bague (111) 30 relativement à l'alésage (110).
3. 3. Agencement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface extérieure de centrage (108) présente une pluralité de méplats (140) espacés circonférentiellement les uns des autres, entre lesquels subsistent des portions (142) de ladite surface en forme de sphère tronquée (108), dites premières portions, en ce que ladite piste intérieure (124) du système de bague présente des évidements (144) espacés circonférentiellement les uns des autres, entre lesquels subsistent des portions (16) de ladite piste intérieure en forme de sphère tronquée, dites secondes portions, et en ce que lesdites premières et secondes portions (142, 146) sont configurées de manière à coopérer ensemble afin de former ladite liaison rotule.
4. 4. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites premières et secondes portions (142, 146) sont configurées de manière à permettre les opérations successives suivantes : - engagement des premières portions (142) à travers lesdits évidements (144) de la piste intérieure ; puis, - par rotation de la piste intérieure (124) relativement à ladite surface extérieure de centrage (108), mise en regard des premières et secondes portions (142, 146) de manière à les faire coopérer ensemble.
5. 5. Agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que leditsystème de bague (111) comporte deux bagues concentriques (120, 122).
6. 6. Agencement selon la revendication 5, 5 caractérisé en ce que lesdites deux bagues concentriques (120, 122) sont solidarisées en rotation, de préférence par soudure.
7. 7. Agencement selon la revendication 5 ou 10 la revendication 6, combinée à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit pion (150) permettant de limiter la rotation dudit système de bague (111) relativement à l'alésage (110) est porté par la bague intérieure (120) du système de bague, et en ce que 15 ledit pion présente une tête recouverte par la bague extérieure (122) du système de bague.
8. 8. Agencement selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que dans la 20 direction vers l'aval, la bague extérieure (122) du système de bague est retenue axialement par une butée (134), relativement à la bague intérieure (120).
9. 9. Chambre de combustion (10) de 25 turbomachine comprenant au moins un agencement selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. 10. Turbomachine comprenant une chambre de combustion (10) selon la revendication 9. 30