FR2993347A1 - Chambre de combustion de turbomachine equipee de passages de debit d'air de purge entre le nez d'injecteur et la bague de traversee du systeme d'injection - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un chambre de combustion de turbomachine, comprenant un système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, équipé d'une bague de traversée 112, la chambre comprenant également un injecteur de carburant 100 comportant un nez d'injecteur 36 logé dans la bague de traversée. Selon l'invention, des passages (156) pour la circulation du débit d'air de purge (42) sont définis entre le nez d'injecteur (36) et la bague de traversée (112).

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE ÉQUIPÉE DE PASSAGES DE DÉBIT D'AIR DE PURGE ENTRE LE NEZ D'INJECTEUR ET LA BAGUE DE TRAVERSÉE DU SYSTÈME D'INJECTION DESCRIPTION La présente invention se rapporte au 10 domaine des chambres de combustion pour turbomachine, de préférence pour aéronef, en particulier du type turboréacteur ou turbopropulseur. Une chambre annulaire de combustion de turbomachine d'aéronef est par exemple connue des 15 documents EP 1 873 458 Al et EP 1 857 741 Al. Un exemple d'une telle chambre de combustion de turboréacteur est représenté sur la figure 1, cette chambre 10 étant agencée en sortie d'un diffuseur 12, lui-même situé en sortie d'un compresseur 20 (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 de fond de chambre et fixées en aval par des viroles 25 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 externe 28 du diffuseur. 30 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 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 la chambre. 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 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. A cet égard, il est noté que les flèches 42 correspondent à un débit d'air de purge passant par des trous de purge répartis circonférentiellement à une extrémité amont d'une bague de traversée 112 qui sera décrite ci-après. Ce débit d'air de purge 42, de manière connue, a pour fonction d'éloigner la zone de recirculation du nez d'injecteur 36 et d'empêcher le carburant de stagner autour de ce nez d'injecteur. Les trous de purge sont référencés 43 sur les figures 1 et la. D'autre part, les flèches 44 et 46 représentent un débit d'air à travers deux vrilles successives 45, agencées en aval des trous de purge 43. L'autre partie du débit d'air alimente des canaux annulaires interne 52 et externe 54 de 30 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 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 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 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 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 chambre au moyen d'une ou de deux bougies d'allumage (non représentées).

En référence à présent à la figure 2, il est montré l'un des injecteurs 100 équipant la chambre de combustion 10. Tout d'abord, de manière classique, 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 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 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, présente une surface extérieure de centrage 108 en forme de sphère tronquée. Cette surface de centrage 108 est guidée dans un orifice de logement ou alésage 110 d'une bague de traversée 112 du système 32, par contact circonférentiel. L'extrémité amont de la bague de traversée 25 112 est de forme tronconique, également dite évasée, pour faciliter l'introduction du nez 36 et du système de bague 111 lors du montage de l'injecteur. Toujours sur la figure 3, on peut apercevoir que le nez 36 renferme de façon classique 30 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 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. La surface extérieure de centrage 108 du 15 nez coopère avec la surface cylindrique 110 de l'alésage de la bague de traversée. Ce guidage prend alors la forme d'une liaison sphère-cylindre, qui présente l'avantage de pouvoir autoriser un léger désaxage entre l'axe du nez d'injecteur et l'axe du 20 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- 25 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 30 combustion de la chambre, car il n'est pas contrôlé et s'ajoute au débit d'air de purge précité.

Les pièces en présence peuvent d'ailleurs atteindre un état d'usure qui nécessite le remplacement de ces pièces, tant les performances de combustion sont affectées par l'importance du jeu généré par usure. 5 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 10 canalisations externes, pourtant généralement en état de fonctionner, puisque non soumises à la même usure que les nez d'injecteur qu'elles portent fixement. De plus, cela nécessite des contrôles fréquents, compliqués à réaliser en raison des 15 difficultés d'accès. 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 20 pour objet une bague de traversée pour système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine d'aéronef, ladite bague présentant un orifice de logement d'un nez d'injecteur. Selon l'invention, ledit orifice de 25 logement est pourvu d'une pluralité d'éléments de centrage du nez d'injecteur répartis selon la direction circonférentielle, lesdits éléments de centrage se projetant radialement vers l'intérieur et définissant entre eux des passages pour la circulation d'un débit 30 d'air de purge.

L'invention a également pour objet un nez d'injecteur destiné à être logé dans un orifice de centrage d'une bague de traversée pour système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine d'aéronef, ledit nez présentant une surface extérieure de centrage destinée à coopérer avec ledit orifice de centrage. Selon l'invention, ladite surface extérieure de centrage est pourvue d'une pluralité d'éléments de centrage du nez d'injecteur répartis selon la direction circonférentielle, lesdits éléments de centrage se projetant radialement vers l'extérieur et définissant entre eux des passages pour la circulation d'un débit d'air de purge.

L'invention a aussi pour objet une chambre de combustion de turbomachine, comprenant un système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, équipé d'une bague de traversée, la chambre comprenant également un injecteur de carburant comportant un nez d'injecteur logé dans ladite bague de traversée. Selon l'invention, la bague de traversée est une bague telle que décrite ci-dessus, ou le nez d'injecteur est un nez tel que décrit ci-dessus, les passages pour la circulation du débit d'air de purge étant définis entre le nez d'injecteur et la bague de traversée. L'invention est donc remarquable en ce qu'elle prévoit de faire circuler le débit d'air de purge à travers des passages définis entre le nez d'injecteur et la bague de traversée, et non plus par des trous de purge traversant l'extrémité aval de la bague, comme cela était le cas antérieurement. La circulation du débit d'air de purge s'effectue alors à l'endroit où se posent les problèmes d'usure de l'art antérieur, ce qui permet, avec la conception particulière retenue, de rendre la chambre plus tolérante à ce phénomène d'usure. En effet, au cours de la vie de la chambre, l'usure de la bague / du nez est observée sur les éléments de centrage, et non plus sur des secteurs angulaires importants comme cela était le cas dans l'art antérieur. Ces éléments de centrage pouvant représenter une part très faible de la périphérie de la bague / du nez, l'usure observée peut n'avoir qu'une très faible incidence sur le débit d'air de purge. Ce dernier peut ainsi être considéré comme satisfaisant, même avec un niveau d'usure important. L'invention apporte donc une solution originale dont l'objectif n'est pas de faire disparaître l'usure entre le nez de l'injecteur et la bague de traversée, mais de limiter les conséquences de 20 cette usure sur les fuites qu'elle engendre. En acceptant cette usure, la durée de vie des éléments en présence est avantageusement augmentée. L'invention présente également un avantage en termes de fabrication, car les trous de purge de 25 l'art antérieur ne sont plus requis, et la réalisation des éléments de centrage sur le nez ou la bague de traversée est plus simple à mettre en oeuvre, car situés à la périphérie de surfaces existantes. En outre, le débit de purge se révèle plus efficace, car il se situe 30 au plus près de l'injecteur. De plus, le contrôle de l'usure est simplifié, car il peut s'effectuer visuellement au niveau des éléments de centrage sans démontage des injecteurs. Il en est de même pour le mesure de l'usure au niveau de ces éléments de centrage.

De préférence, en section transversale quelconque de la bague ou du nez passant par les éléments de centrage, sur tout cercle centré sur un axe de la bague / du nez et passant à travers lesdits éléments de centrage, les arcs traversant les passages pour la circulation du débit d'air de purge définissent une première somme de longueurs d'arcs tandis que les arcs traversant les éléments de centrage définissent une seconde somme de longueurs d'arcs, le rapport entre les première et seconde sommes étant compris entre 2,5 et 13. Cette plage de valeurs importante traduit un rapport élevé entre les surfaces usées des éléments de centrage et la surface totale des passages du débit d'air de purge, ce qui implique avantageusement, malgré l'usure observée, une très faible variation de la perméabilité de la zone de passage du débit d'air de purge au cours de la durée de vie de la chambre de combustion. De préférence, chaque élément de centrage prend la forme d'une cannelure, simple à réaliser, par 25 exemple par usinage. Alternativement, il pourrait s'agir d'une lame à ressort, qui présente l'avantage de permettre un rattrapage de l'usure, conférant ainsi un centrage du nez quel que soit le niveau de cette usure. Quelle que soit la forme des éléments de 30 centrage, ceux-ci présentent de préférence une forme hélicoïdale. Cela confère une uniformisation circonférentielle de l'usure de la pièce coopérant avec ces éléments de centrage, l'usure répartie sur une plus grande surface étant par ailleurs atténuée. De plus, cela permet de mettre en rotation le débit d'air de purge, et limite ainsi les interactions négatives entre le débit d'air provenant des vrilles et ce débit d'air de purge. Enfin, l'invention a également pour objet une turbomachine équipée d'une telle chambre de 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 dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1, déjà décrite, représente une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une turbomachine d'aéronef comprenant une chambre annulaire de combustion connue de l'art antérieur ; - la figure la est une vue en perspective de l'un des injecteurs de la chambre montrée sur la figure 1, l'injecteur coopérant avec un système d'injection ; - la figure 2 est une vue en perspective de l'injecteur montré sur les figures précédentes ; - la figure 3 représente une vue en coupe plus détaillée d'une portion de la partie terminale de l'injecteur de la figure 2, montée sur son système d'injection associé de la chambre de combustion ; - les figures 4a à 4d représentent un agencement selon un mode de réalisation préféré de l'invention, avec des cannelures droites ; - les figures 5a à 5c représentent un 5 agencement selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, avec des cannelures hélicoïdales ; - la figure 6 représente un agencement selon encore un autre mode de réalisation préféré de l'invention, avec des éléments de centrage en forme de 10 lames à ressort ; et - les figures 7a et 7b représentent un agencement selon encore un autre mode de réalisation préféré de l'invention, avec des éléments de centrage intégrés au nez d'injecteur. 15 En référence tout d'abord aux figures 4a à 4d, il est représenté un agencement pour chambre de combustion selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Cet agencement reprend l'ensemble des éléments décrits ci-dessus et représentés sur les 20 figures 1 à 3, à l'exception de la coopération entre la surface extérieure de centrage 108 du nez d'injecteur, et l'orifice de logement 110 de la bague de traversée 112, également dénommée traversée coulissante. De plus, les trous de purge 43 sont supprimés. Par conséquent, 25 sur les figures, les éléments portant les mêmes références numériques correspondent à des éléments identiques ou similaires. L'une des particularités réside ici dans le fait que l'orifice de logement 110 de la bague 112 est 30 défini par un alésage 150, sur lequel il est prévu une pluralité d'éléments de centrage 152 du nez d'injecteur 36, espacés les uns des autres. Plus précisément, ces éléments de centrage 152 en forme de cannelures droites parallèles à l'axe 154 de la bague et du nez d'injecteur, sont répartis selon la direction circonférentielle et se projettent radialement vers l'intérieur à partir de l'alésage 150, en définissant entre eux des passages 156 pour la circulation du débit d'air de purge 42 schématisé sur la figure 4b. Les cannelures 152, qui s'étendent de préférence axialement sur toute la longueur de la bague de traversée et de son alésage 150, sont ainsi prévues en alternance avec des vides qui forment les passage du débit d'air de purge 42. Les cannelures 152, par exemple comprises dans un nombre entre trois et six, sont dédiées au centrage du nez d'injecteur 36, en étant au contact de la surface extérieure 108 de forme sphérique. Au cours de la durée de vie de la chambre de combustion, l'usure de la bague 112 se concentre donc sur les surfaces libres d'extrémité des cannelures, orientées radialement vers l'intérieur. Ces surfaces de cannelures étant faibles comparativement à la surface cumulée des passages de circulation de débit de purge 156, l'usure n'a que peu d'incidence sur la valeur de ce débit, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des pièces en présence. A cet égard, en référence à la figure 4d, il est montré une section transversale quelconque de la bague 112 passant par les éléments de centrage 152, ainsi qu'un cercle C quelconque centré sur l'axe 154 et passant à travers les éléments de centrage 152. Sur ce cercle, des arcs Al traversent les passages 156 pour la circulation du débit d'air de purge, tandis que des arcs A2 traversent les éléments de centrage 152, ces arcs Al, A2 étant agencés en alternance selon la direction circonférentielle. De plus, les arcs Al définissent ensemble une première somme de longueurs d'arcs tandis que les arcs A2 définissent ensemble une seconde somme de longueurs d'arcs, le rapport entre les première et seconde sommes étant compris entre 2,5 et 13.

Sur les figures 5a à 5c, une alternative montre des cannelures hélicoïdales 152, d'axe confondu avec l'axe 154 du nez et de la bague. Cela permet d'augmenter les surfaces de contact, d'uniformiser circonférentiellement l'usure de la surface extérieure 108 du nez 36, et d'appliquer au débit d'air de purge un mouvement rotatif adapté à celui issu des vrilles. Dans ce mode de réalisation ainsi que dans les suivants, le rapport entre les longueurs d'arcs Al et A2 est identique ou similaire à celui décrit ci-dessus en référence à la figure 4d. Sur la figure 6, un mode de réalisation différent prévoit des éléments de centrage 152 en forme de lames à ressort, par exemple obtenues par emboutissage de la bague 36. Dans ce cas, les orifices 198 obtenus par l'emboutissage sont bouchés par exemple par des plaquettes 200, pour ne pas laisser de passage d'air qui s'ajouterait au débit de purge. Enfin, sur les figures 7a et 7b, il est représenté un mode de réalisation dans lequel les éléments de centrage 152 ne sont plus solidaires de la bague de traversée 112, mais du nez d'injecteur. Ces éléments 152, qui peuvent prendre une forme quelconque parmi celles déjà décrites ci-dessus, font donc saillie radialement vers l'extérieur à partir de la surface 108 avec laquelle elles sont de préférence réalisées d'une seule pièce. Ces éléments 152, entre lesquels sont définis les passages 156 pour la circulation du débit d'air de purge 42, sont en contact avec l'alésage 150 définissant l'orifice de logement 110 de la bague de traversée 112. Sur les figures 7a et 7b, les éléments 152 sont des cannelures dites droites, en ce sens qu'elles s'étendent parallèlement à l'axe 154. Néanmoins, leur extrémité libre peut être sphérique, afin de conserver un contact du type sphère / cylindre entre le nez d'injecteur et la bague de traversée.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 25

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Bague de traversée (112) pour système d'injection (32) d'un mélange d'air et de carburant 5 dans une chambre de combustion (10) d'une turbomachine d'aéronef, ladite bague présentant un orifice de logement (110) d'un nez d'injecteur (36), caractérisée en ce que ledit orifice de logement (110) est pourvu d'une pluralité d'éléments de centrage (152) du nez 10 d'injecteur répartis selon la direction circonférentielle, lesdits éléments de centrage se projetant radialement vers l'intérieur et définissant entre eux des passages (156) pour la circulation d'un débit d'air de purge (42). 15
2. 2. Bague selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'en section transversale quelconque de la bague (112) passant par les éléments de centrage (152), sur tout cercle (C) centré sur un 20 axe (154) de la bague et passant à travers lesdits éléments de centrage, les arcs (Al) traversant les passages (156) pour la circulation du débit d'air de purge définissent une première somme de longueurs d'arcs tandis que les arcs (A2) traversant les éléments 25 de centrage (152) définissent une seconde somme de longueurs d'arcs, le rapport entre les première et seconde sommes étant compris entre 2,5 et 13.
3. 3. Bague selon la revendication 1 ou la 30 revendication 2, caractérisée en ce que chaque élément de centrage prend la forme d'une cannelure (152).
4. 4. Bague l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce chaque élément de centrage (152) est de forme hélicoïdale.
5. 5. Nez d'injecteur (36) destiné à être logé dans un orifice de centrage (110) d'une bague de traversée (112) pour système d'injection (32) d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion (10) d'une turbomachine d'aéronef, ledit nez présentant une surface extérieure de centrage (108) destinée à coopérer avec ledit orifice de centrage (110), caractérisé en ce que ladite surface extérieure de centrage (108) est pourvue d'une pluralité d'éléments de centrage (152) du nez d'injecteur répartis selon la direction circonférentielle, lesdits éléments de centrage se projetant radialement vers l'extérieur et définissant entre eux des passages (156) pour la circulation d'un débit d'air de purge (42).
6. 6. Nez selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'en section transversale quelconque du nez (36) passant par les éléments de centrage (152), sur tout cercle (C) centré sur un axe (154) du nez et 25 passant à travers lesdits éléments de centrage, les arcs (Al) traversant les passages (156) pour la circulation du débit d'air de purge définissent une première somme de longueurs d'arcs tandis que les arcs (A2) traversant les éléments de centrage (152) 30 définissent une seconde somme de longueurs d'arcs, lerapport entre les première et seconde sommes étant compris entre 2,5 et 13.
7. 7. Nez selon la revendication 5 ou la 5 revendication 6, caractérisé en ce que chaque élément de centrage prend la forme d'une cannelure (152).
8. 8. Nez l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce chaque élément de centrage 10 (152) est de forme hélicoïdale.
9. 9. Chambre de combustion (10) de turbomachine, comprenant un système d'injection (32) d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, 15 équipé d'une bague de traversée (112), la chambre comprenant également un injecteur de carburant (100) comportant un nez d'injecteur (36) logé dans ladite bague de traversée, caractérisée en ce que la bague de traversée (112) est une bague selon l'une quelconque 20 des revendications 1 à 4 ou en ce que le nez d'injecteur (36) est un nez selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, les passages (156) pour la circulation du débit d'air de purge (42) étant définis entre le nez d'injecteur et la bague de traversée. 25
10. 10. Turbomachine comprenant une chambre de combustion (10) selon la revendication 9. 30