FR2990073A1 - Bougie d'allumage pour chambre de combustion d'un moteur a turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une bougie d'allumage pour chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz comportant: - un corps externe (1) formant électrode de masse, destiné à être reçu principalement dans un contournement de la chambre de combustion, - une électrode centrale interne (2), - un isolant (3) interposé avec jeu entre le corps externe (1) et l'électrode interne (2), ladite bougie se terminant par une partie (5) formant nez destinée quant à elle à être reçue dans le tube à flamme de la chambre de la chambre de combustion, un élément semi-conducteur étant interposé entre l'électrode centrale et l'électrode de masse au niveau de ladite partie formant nez, dans laquelle le corps externe (1) comporte au moins une entrée d'air de refroidissement (6) qui communique à l'intérieur de la bougie avec au moins une sortie (8, 9, 10) disposée au niveau de la partie formant nez.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET CONTEXTE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à turbine à gaz ainsi qu'au système de post-combustion de moteurs d'aéronefs, et porte plus particulièrement sur le refroidissement d'une bougie d'allumage montée au niveau 5 d'une chambre de combustion. Dans un moteur à turbine à gaz, la chambre de combustion reçoit l'air du compresseur dont une partie est mélangée au carburant qui est brûlé dans la zone de combustion primaire. L'allumage est assuré par une ou deux bougies disposées en aval du système de carburation. Une autre partie de l'air contourne la zone de 10 combustion primaire et vient se mélanger aux gaz de combustion. L'ensemble des gaz chauds est dirigé vers la turbine. Certains aéronefs sont en outre équipés d'un dispositif de postcombustion. Un dispositif de postcombustion comprend des moyens d'injection de carburant à proximité d'organes accroche-flamme et au moins une bougie d'allumage. En régime 15 de postcombustion, du carburant supplémentaire est injecté pour obtenir une augmentation de poussée. La figure 1 illustre un schéma de principe d'un exemple de bougie d'allumage basse tension à semi-conducteur de l'état de la technique. Une telle bougie comprend un corps externe 1 formant une électrode externe, 20 ou électrode de masse, qui prend par exemple la forme d'un corps métallique tubulaire s'étendant sur les contours externes de la bougie d'allumage pour en constituer une gaine, et une électrode interne ou centrale 2, prenant la forme d'une tige métallique logée à l'intérieur de l'électrode externe 1. L'électrode externe 1 et l'électrode interne 2 partagent le même axe de symétrie. 25 Un isolant 3 assure l'isolation électrique entre l'électrode externe 1 et l'électrode interne 2. Un élément semi-conducteur 4 en céramique est disposé à l'extrémité de la bougie (nez 5), entre l'électrode externe 1 et l'électrode interne 2. Une différence de potentiel appliquée entre l'électrode externe 1 et l'électrode interne 2, typiquement de lkV à 3kV, entraine l'apparition d'une étincelle au niveau 30 du nez 5 de la bougie, pour allumer la chambre de combustion. Les bougies d'allumage, tant pour la combustion que pour la post-combustion, sont soumises à de nombreuses contraintes qui peuvent limiter leur durée de vie. Par exemple, le claquage de la bougie sous forte pression ou une exposition de l'extrémité de la bougie à un fluide, notamment du carburant ou de l'eau, peuvent 35 réduire sa durée de vie.
L'exposition de l'extrémité d'une bougie à de fortes températures, supérieures à 600°C, peut significativement réduire la durée de vie d'une bougie d'allumage. Une diminution de la durée de vie des bougies entraîne des coûts supplémentaires de maintenance et diminue la disponibilité des aéronefs ainsi que la fiabilité de leurs performances. Il est donc souhaitable de pouvoir refroidir les bougies et ainsi augmenter la durée de vie de celles-ci. La figure 2 illustre un exemple de configuration dans laquelle une bougie d'allumage est refroidie par circulation d'air (flèche représentée sur la figure 2). Un flux d'air 20 provenant d'un diffuseur 21 circule dans un contournement externe 22 de la chambre de combustion 23, refroidit une bougie 24 par impact d'air passant par le guide bougie 25 et par conduction sur la partie haute de la bougie 24 avec l'adaptateur bougie 26. Le contournement externe est séparé du tube à flamme 29 de la chambre de combustion par une virole externe 27, tandis qu'une virole interne 28 est une autre paroi de la chambre de combustion 23. Des agencements complémentaires peuvent être prévus pour refroidir encore la bougie d'allumage, notamment par une circulation d'air de contournement au niveau du nez 5 de la bougie d'allumage. La demande de brevet FR 2 926 329 présente un agencement en ce sens.
Cependant, un refroidissement de l'extérieur de la bougie ou de son seul nez peut se révéler insuffisant. PRESENTATION DE L'INVENTION Il existe généralement des jeux entre l'isolant et les électrodes, ainsi qu'entre l'électrode centrale et le semi-conducteur. L'invention tire parti de ces jeux et propose une bougie d'allumage dont la structure permet un refroidissement interne par circulation d'air à l'intérieur des espaces internes définis par ces jeux. Elle profite également du différentiel de pression qui existe le contournement et le tube à flamme pour créer un refroidissement à l'extrémité la plus chaude de la bougie en vis-à-vis de la flamme et faire circuler de l'air de refroidissement à l'intérieur de la bougie. Ainsi, l'invention propose une bougie d'allumage pour chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz comportant: - un corps externe formant électrode de masse, destiné à être reçu principalement dans un contournement de la chambre de combustion, - une électrode centrale interne, - un isolant interposé avec jeu entre le corps externe et l'électrode interne, ladite bougie se terminant par une partie formant nez destinée quant à elle à être reçue dans le tube à flamme de la chambre de combustion, un élément semiconducteur étant interposé entre l'électrode centrale et l'électrode de masse au niveau de ladite partie formant nez, caractérisée en ce que le corps externe comporte au moins une entrée d'air de refroidissement qui communique à l'intérieur de la bougie avec au moins une sortie disposée au niveau de la partie formant nez. Avec une telle structure de bougie, l'air de refroidissement circule à l'intérieur de la bougie pour par exemple être appliquée à l'électrode de masse et/ou à l'électrode centrale et/ou l'isolant et/ou au semi-conducteur.
Une telle structure de bougie est également avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs différentes combinaisons possibles : une entrée d'air de refroidissement est un trou débouchant dans l'espace formant jeu entre le corps externe et l'isolant ; - le corps externe comporte une pluralité de trous d'entrée d'air, lesdits trous étant des perforations ménagées dans l'épaisseur du corps externe; - le corps externe comporte également au niveau du nez de la bougie au moins un trou de sortie débouchant dans l'espace formant jeu entre le corps externe et l'élément semi-conducteur ; le corps externe comporte une pluralité de trous de sortie, lesdits trous de sortie étant des perforations ménagées dans l'épaisseur dans son épaisseur, perpendiculairement à l'axe selon lequel ledit corps externe s'étend, et/ou s'étendant de façon inclinée à travers l'épaisseur dudit corps externe et/ou s'étendant parallèlement à l'axe selon ledit corps externe s'étend, en débouchant de celui-ci au niveau du nez de la bougie ; l'isolant comporte également au moins une entrée d'air, l'air de refroidissement introduit entre l'isolant et l'électrode centrale s'évacuant au niveau du nez de la bougie via le jeu entre ladite électrode centrale et l'élément semi-conducteur ; l'électrode centrale comporte, à son extrémité au niveau de la partie formant nez, au moins un rainurage ; l'entrée d'air au niveau de l'isolant comporte une pluralité de trous d'entrée d'air constitués par des perforations ménagées dans l'épaisseur du corps externe, de préférence selon un angle compris entre 30 et 600 , dans la direction du nez de la bougie, par rapport à l'axe selon lequel ledit corps externe s'étend, les trous d'entrée d'air du corps externe étant d'un diamètre supérieur à celui des trous d'entrée d'air de l'isolant et évitant la création d'arc ; le diamètre d'un trou d'entrée et/ou un trou de sortie est inférieur à 1 nnnn. L'invention concerne également un turbo moteur comportant une telle bougie d'allumage.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - La figure 1, déjà discutée, est une représentation schématique de la structure de l'extrémité d'une bougie, La figure 2, également déjà discutée, illustre schématiquement la disposition d'une bougie dans une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, La figure 3 est une représentation schématique de la structure d'une extrémité d'une bougie conforme à un mode de réalisation possible de l'invention, La figure 4 est une représentation schématique de la structure d'une extrémité d'une bougie conforme à autre un mode de réalisation possible de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE La bougie illustrée sur la figure 3 comporte une électrode externe 1 formant électrode de masse, une électrode centrale 2, ainsi qu'un isolant 3 interposé entre l'électrode externe 1 et l'électrode centrale 2 sur l'essentiel de la hauteur de la bougie. Un élément en un matériau semi-conducteur 4 est interposé, à la place de l'isolant 3, au niveau du nez 5 de la bougie.
Le corps cylindrique qui constitue le corps externe 1 présente plusieurs trous 6 qui traversent l'épaisseur dudit corps 1 et débouchent dans l'espace 7 formant jeu entre ledit corps externe et l'isolant 3. Les différents trous 6 captent l'air de refroidissement et permettent l'entrée d'air de contournement au niveau dudit jeu 7. Des trous de sortie 8, 9, 10 sont également prévus au niveau du nez 5 de la bougie. Ces trous sont également des trous ménagés dans le corps externe 1. Ils débouchent au niveau du jeu 7 entre l'élément semi-conducteur 4 et le corps externe et permettent ainsi d'évacuer l'air échauffé dans le tube à flamme.
Les diamètres des trous d'entrée 6 et des trous de sortie 8, 9, 10 sont par exemple suffisamment faibles pour éviter l'intrusion de polluant ou de particules. Ainsi, dans le cas d'une bougie présentant une électrode externe 1 de 8 à 12 mm de diamètre et de 1 à 3 mm d'épaisseur, ils sont réalisés par des perforations de diamètre inférieur à 800 [Inn de diamètre.
Les trous d'entrée 6 sont perforés au travers du corps externe 1, par exemple perpendiculairement à l'axe selon lequel ledit corps externe 1 s'étend, c'est-à-dire par rapport à l'axe de la bougie, mais de préférence selon un angle compris entre 30 et 60° par rapport à l'axe selon lequel ledit corps externe 1 s'étend, dans la direction du nez de la bougie. Une telle orientation permet de faciliter la circulation d'air.
Dans le cas du dinnensionnennent indiqué ci-dessus, ces trous d'entrée 6 sont au nombre de quatre. Le nombre de trous de sortie est similaire au nombre de trous d'entrée. Les trous de sorties 8, 9, 10 peuvent être de différentes géométries. Par exemple, ils peuvent être eux aussi perpendiculaires à l'axe de la bougie (cas illustré par le trou 9). Ils peuvent également être inclinés par rapport à celui-ci et évacuer l'air en biais (cas illustré par le trou 8). Ils peuvent encore être parallèles à l'axe de la bougie et déboucher à proximité de la pointe de celle-ci (cas illustré par le trou 10).
On notera que dans les différents exemples illustrés sur la figure 3, l'isolant 3 garde son intégrité. La qualité du claquage en nez de bougie n'est pas affectée en extrémité par l'évacuation de l'air de refroidissement puisque le kérosène vaporisé n'est pas dévié par rapport au nez de bougie. Une telle bougie est par exemple une bougie basse tension utilisée dans une chambre de combustion d'un turbo-moteur, avec une configuration du type de celle illustrée sur la figure 2, le corps cylindrique 1 qui définit l'électrode de masse de la bougie étant reçu principalement dans un contournement 22 de la chambre de combustion 23, la partie 5 de la bougie formant nez étant quant à elle reçue dans le tube à flamme 29 de ladite chambre.
La figure 4 illustre quant à elle d'autres modes de réalisations possibles sur lesquels des trous 11 sont également ménagés dans l'isolant 3, ces trous 11 débouchant dans l'espace 12 formant jeu entre l'électrode centrale 2 et l'isolant 3. Dans ce cas, l'évacuation de l'air de refroidissement entre l'isolant 3 et l'électrode centrale 2 se fait via le jeu que définit cet espace 12 puisque celui-ci débouche au niveau de la partie 5 de la bougie formant nez, au niveau de l'extrémité de l'électrode centrale 2. Un rainurage 13 peut être prévu sur cette électrode centrale 2 afin d'augmenter la section de passage vers le tube à flamme de la chambre de combustion. Par exemple, l'électrode centrale 2 peut présenter un diamètre externe de 3 à 5 mm et se terminer au niveau du nez de la bougie par une forme à 4 à 12 rainures 13 qui sont par exemple des rainures de section en V de profondeur maximale de 0,1 à 0,2 mm, de hauteur 5 à 20 mm et de 0,1 à 0,2 mm de largeur à leur base. Dans l'exemple illustré sur cette figure 4, les trous 11 ménagés dans l'isolant 3 sont perpendiculaires à l'axe selon lequel ledit corps externe 1 s'étend, mais de préférence, les trous 11 peuvent avoir un angle compris entre 30 et 600 par rapport à l'axe selon lequel ledit corps externe 1 s'étend, dans la direction du nez de la bougie. Une telle angulation permet de faciliter la circulation d'air. Dans l'exemple illustré sur cette figure 4, les trous 6 ménagés au niveau du corps externe 1 sont des trous de diamètre plus important que les trous 11 ménagés dans l'isolant 3. Par exemple, pour un isolant 3 en céramique et de 2 à 5 mm d'épaisseur, les trous 6 ménagés dans le corps externe 1 sont de diamètre 4 à 10 mm, tandis que les trous 11 ménagés dans l'isolant 3 sont de diamètre inférieur à 800 [Inn.
On notera en particulier qu'un tel dinnensionnennent du diamètre du trou externe permet d'éviter la création d'un arc (dont le risque existerait sinon puisque l'isolant 3 est percé). Par ailleurs, l'air entre l'isolant 3 et l'électrode de masse 1 est évacué de la même façon que dans le cas de la structure de bougie de la figure 3 par les trous 8, 9, 10.
Là aussi, l'air est évacué au niveau du tube à flamme et le claquage en nez de bougie n'est pas affecté. L'éjection d'air en refroidissement en nez de bougie contribue en outre à la protection de celle-ci en diminuant le contact avec le carburant à l'état liquide. La circulation d'air ainsi réalisée permet un refroidissement significatif des zones critiques du nez de bougie et un gain en durée de vie et en tenue à la température.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Bougie d'allumage pour chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz comportant: - un corps externe (1) formant électrode de masse, destiné à être reçu principalement dans un contournement de la chambre de combustion, - une électrode centrale interne (2), - un isolant (3) interposé avec jeu entre le corps externe (1) et l'électrode interne (2), ladite bougie se terminant par une partie (5) formant nez destinée quant à elle à être reçue dans le tube à flamme de la chambre de combustion, un élément semiconducteur étant interposé entre l'électrode centrale et l'électrode de masse au niveau de ladite partie formant nez, caractérisée en ce que le corps externe (1) comporte au moins une entrée d'air de refroidissement (6) qui communique à l'intérieur de la bougie avec au moins une sortie (8, 9, 10) disposée au niveau de la partie formant nez.
- 2. Bougie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une entrée d'air de refroidissement (6) est un trou débouchant dans l'espace (7) formant jeu entre le corps externe et l'isolant.
- 3. Bougie selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps externe comporte une pluralité de trous d'entrée d'air (6), lesdits trous étant des perforations ménagées dans l'épaisseur du corps externe.
- 4. Bougie selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps externe comporte également au niveau du nez de la bougie au moins un trou de sortie débouchant dans l'espace formant jeu entre le corps externe et l'élément semiconducteur.
- 5. Bougie selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'il comporte une pluralité de trous de sortie (8, 9, 10), lesdits trous de sortie étant des perforations ménagées dans l'épaisseur du corps externe (1), perpendiculairement à l'axe selon lequel ledit corps externe (1) s'étend, et/ou s'étendant de façon inclinée à travers 30l'épaisseur dudit corps externe (1) et/ou s'étendant parallèlement à l'axe selon ledit corps externe (1) s'étend, en débouchant de celui-ci au niveau du nez de la bougie.
- 6. Bougie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'isolant (3) comporte également au moins une entrée d'air (11), l' air de refroidissement introduit entre l'isolant et l'électrode centrale s'évacuant au niveau du nez de la bougie via le jeu (12) entre ladite électrode centrale et l'élément semiconducteur.
- 7. Bougie selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'électrode centrale (2) comporte, à son extrémité au niveau de la partie formant nez, au moins un rainurage (13).
- 8. Bougie selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que l'entrée d'air au niveau de l'isolant (3) comporte une pluralité de trous d'entrée (11) d'air constitués par des perforations ménagées dans l'épaisseur du corps externe (1), selon un angle compris entre 30 et 60° par rapport à l'axe selon lequel ledit corps externe (1) s'étend, l'entrée d'air (6) du corps externe (1) étant d'un diamètre supérieur à celui des trous d'entrée d'air de l'isolant et évitant la création d'arc.
- 9. Bougie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre d'un trou d'entrée (6, 11) et/ou un trou de sortie (8, 9,
- 10) est inférieur à 1 nnnn. 10. Turbo-moteur à chambre de combustion du type comportant une bougie d'allumage comportant : - un corps externe (1) formant électrode de masse, - une électrode centrale interne (2), - un isolant (3) interposé avec jeu entre le corps externe (1) et l'électrode interne (2), ladite bougie se terminant par une partie formant nez (5) au niveau de laquelle un élément semi-conducteur (4) étant interposé entre l'électrode centrale (2) et l'électrode de masse (1) au niveau de ladite partie formant nez (5),ladite bougie étant reçue principalement dans un contournement (22) de la chambre de combustion, la partie formant nez étant quant à elle reçue dans le tube à flamme (29) de la chambre de la chambre de combustion (23), caractérisée en ce que le corps externe (1) comporte au moins une entrée d'air de refroidissement (6) qui communique à l'intérieur de la bougie avec au moins une sortie (8, 9, 10) disposée au niveau de la partie formant nez (5).
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