FR2996287A1 - Dispositif d'injection pour une chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

Abstract

Dispositif (110) d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comprenant un circuit pilote alimentant un injecteur (122) débouchant dans un venturi (120) et un circuit multipoint alimentant une rangée annulaire d'orifices d'injection située radialement à l'extérieur du venturi, caractérisé en ce que le venturi comprend une cavité interne (160) alimentée en air et communiquant avec des orifices (163) de passage d'air débouchant sur la paroi radialement interne du venturi.

Description

9962 87 1 DISPOSITIF D'INJECTION POUR UNE CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE La présente invention concerne un dispositif d'injection de carburant « multipoint » pour une chambre annulaire de combustion d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. De manière connue, une turbomachine comprend une chambre annulaire de combustion agencée en sortie d'un compresseur haute pression et pourvue d'une pluralité de dispositifs d'injection de carburant régulièrement répartis circonférentiellement à l'entrée de la chambre de combustion. Un dispositif d'injection « multipoint » comprend un venturi à l'intérieur duquel est monté un injecteur pilote centré sur l'axe du venturi et alimenté en permanence par un circuit pilote et un second venturi coaxial au premier et entourant celui-ci. Ce second venturi comprend une chambre annulaire à son extrémité amont qui est alimentée en carburant par un circuit de carburant et qui distribue le carburant à des orifices d'injection débouchant axialement vers l'aval. Le circuit pilote fournit en permanence un débit de carburant optimisé pour les bas régimes et le circuit multipoint fournit un débit de carburant intermittent optimisé pour les hauts régimes.

Les documents suivants décrivent ce type de technologie : EP-A1- 2 026 002, EP-Al -2 488 791, EP-Al -2 488 791 et WO-A1-2012/104523. Par principe de fonctionnement, le circuit multipoint ne produit pas de flamme à bas régime et seule la flamme générée par le circuit pilote est présente. Afin de contrôler les émissions de gaz polluants (tels que le 25 monoxyde de carbone CO ou les imbrulés CxHy) à bas régime, il est nécessaire de séparer les écoulements des zones de combustion pilote et multipoint. Pour cela, l'extrémité aval du second venturi du dispositif d'injection est reliée à une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et destinée à séparer les zones précitées. Pour améliorer cette 30 séparation, une solution consisterait à augmenter la dimension axiale de cette paroi. Cependant, cette solution n'est pas avantageuse car la paroi de séparation serait alors plus exposée aux fortes chaleurs dans la chambre et risquerait de se dégrader. Un problème technique est de trouver un compromis entre une dimension axiale de la paroi qui est suffisante pour assurer la fonction de séparation précitée mais qui est aussi limitée pour éviter que cette paroi ne soit soumise en fonctionnement à des contraintes thermiques trop importantes. De plus, à bas régime, on a constaté que des gouttelettes de carburant provenant de l'injecteur pilote pénètrent dans la zone de combustion multipoint où le débit d'air est relativement important, ce qui conduit à une mauvaise combustion du carburant (figeage des réactions chimiques) ainsi qu'à des émissions polluantes. La présente invention permet de remédier à au moins une partie des inconvénients précités de façon simple, efficace et économique.

A cet effet, elle propose un dispositif d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comprenant un circuit pilote alimentant un injecteur débouchant dans un venturi et un circuit multipoint alimentant une rangée annulaire d'orifices d'injection située radialement à l'extérieur du venturi, caractérisé en ce que le venturi comprend une cavité interne alimentée en air et communiquant avec au moins une rangée annulaire de premiers orifices de passage d'air débouchant sur la paroi radialement interne du venturi. Selon l'invention, en fonctionnement, un débit d'air (pouvant avoir une vitesse importante) passe à travers les orifices du venturi pour contrôler les écoulements de carburant liquide provenant de l'injecteur pilote et éviter toute introduction de ce carburant dans la zone de combustion multipoint. Ce débit d'air permet aussi de cisailler les gouttelettes de carburant de l'injecteur pilote, ce qui améliore l'atomisation et l'évaporation du carburant. Le carburant gazeux est ainsi plus rapidement disponible pour participer à la combustion. L'invention permet également d'éloigner les zones de combustion pilote et multipoint en créant un espace annulaire de recirculation d'air entre les zones précitées. Enfin, elle permet d'augmenter le temps de séjour des gouttelettes de carburant dans le tube à flamme et ainsi favoriser son évaporation. Cela se traduit de façon globale par une meilleure combustion du carburant et par une réduction des émissions de gaz polluants. Avantageusement, le venturi est relié à son extrémité aval à une paroi sensiblement tronconique de séparation des zones de combustion produites par les circuits pilote et multipoint, respectivement, et les premiers orifices sont formés au voisinage de cette paroi de séparation.

La cavité du venturi peut communiquer avec au moins une rangée annulaire de seconds orifices de passage d'air formés dans une paroi annulaire aval de la cavité, ces orifices débouchant en amont de la paroi de séparation en vue de son refroidissement. La paroi aval peut être sensiblement radiale ou tronconique (par exemple orientée d'amont en aval vers l'extérieur). L'invention est alors particulièrement intéressante car elle permet, au moyen d'une seule et même technologie, d'assurer le refroidissement de la paroi de séparation et d'autre part d'améliorer la séparation des zones de combustion des circuits pilote et multipoint. La paroi de séparation est refroidie par l'air délivré par les orifices alimentés par la cavité interne du venturi. En plus du refroidissement de la paroi de séparation, l'air délivré par les mêmes orifices s'écoule le long de la paroi de séparation et pénètre dans la chambre avec une composante radiale qui lui permet d'éloigner les écoulements provenant du circuit multipoint de l'axe du foyer de la chambre et donc de participer à la séparation précitée des écoulements provenant des circuits pilote et multipoint. Les orifices de passage d'air sont de préférence régulièrement répartis sur une circonférence centrée sur l'axe longitudinal du dispositif. Ils peuvent avoir une orientation sensiblement axiale. En variante, ils peuvent être orientés d'amont en aval radialement vers l'intérieur et/ou être sensiblement perpendiculaires à la paroi de séparation.

Les orifices de passage d'air sont de préférence formés dans une paroi annulaire aval de la cavité interne du venturi. L'extrémité radialement interne de cette paroi annulaire peut être reliée à l'extrémité amont de la paroi de séparation. L'extrémité radialement externe de la paroi annulaire peut être reliée à l'extrémité aval d'une paroi externe sensiblement cylindrique de la cavité interne, dont l'extrémité amont est entourée par les orifices d'injection du circuit multipoint. Les débouchés aval des orifices de passage d'air sont de préférence situés à faible distance de la paroi de séparation de sorte que l'air délivré par ces orifices impactent cette paroi de séparation. Les débouchés aval des orifices peuvent être situés en regard de la périphérie interne de la paroi de séparation. L'invention concerne également une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comprenant au moins un dispositif d'injection de carburant tel que décrit ci-dessus. Elle concerne encore une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant une telle chambre de combustion. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en 20 référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un dispositif d'injection de carburant multipoint selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle d'une partie 25 de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif d'injection de carburant multipoint selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique à plus grande échelle d'une partie de la figure 3 ; et - la figure 5 est une vue schématique partielle à plus grande échelle d'une paroi de séparation de zones de combustion selon une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 représentant un dispositif d'injection 10 selon la technique antérieure et comportant deux systèmes d'injection de carburant dont l'un est un système pilote fonctionnant en permanence et l'autre un système multipoint fonctionnant par intermittence. Ce dispositif 10 est monté dans une ouverture 12 d'une paroi 14 de fond d'une chambre de combustion 16 annulaire d'une turbomachine, qui est alimentée en air par un compresseur haute pression amont (non visible) et dont les gaz de combustion alimentent une turbine montée en aval (non visible). Ce dispositif 10 comprend un premier venturi 18 et un second venturi 20 coaxiaux, le premier venturi 18 étant monté à l'intérieur du second venturi 20. Un injecteur pilote 22 relié à une conduite 24 d'alimentation en carburant est monté à l'intérieur d'un premier étage de vrilles 26 inséré axialement à l'intérieur du premier venturi 18. Un second étage de vrilles 28 est formé à l'extrémité amont et radialement à l'extérieur du premier venturi 18 et sépare les premier et second venturis 18, 20. Un troisième étage de vrilles 30 est monté radialement à l'extérieur du second venturi 20 et est relié à son extrémité aval à l'extrémité amont d'un bol tronconique 32 de montage du dispositif 10 dans l'ouverture 12 de la paroi de fond 14 de la chambre. Le second venturi 20 comprend à son extrémité amont une chambre annulaire 34 alimentée par une conduite 36 d'amenée de carburant. Cette chambre 34 est délimitée par deux parois cylindriques radialement interne 38 et externe 40 reliées l'une à l'autre par une paroi aval tronconique 42 convergeant vers l'aval (figure 2). La paroi aval 42 comprend une rangée annulaire d'orifices 44 30 d'injection de carburant qui forment un injecteur multipoint et sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal du dispositif. Ces orifices 44 sont orientés parallèlement à l'axe longitudinal du dispositif 10. Ils communiquent à leurs extrémités amont avec la chambre 34 et débouchent vers l'aval sur la face tronconique aval de la paroi 42. Les orifices 36 peuvent être sensiblement perpendiculaires à cette face aval de la paroi 42.

Le carburant injecté par les orifices 44 se mélange à de l'air distribué par le troisième étage de vrilles 30 pour former un mélange dans une zone de combustion multipoint 46 qui est destiné à s'enflammer dans la chambre de combustion 16. Le carburant délivré par l'injecteur pilote 22 se mélange à de l'air distribué par les étages de vrilles 26, 28 pour former une zone 48 de combustion pilote entourée par la zone de combustion multipoint 46. L'extrémité aval du second venturi 20 est reliée à une paroi tronconique 50 qui s'étend d'amont en aval radialement vers l'extérieur et qui forme un séparateur destiné à délimiter les écoulements des circuits pilote et multipoint et les zones de combustion 46, 48 générées par ces circuits. Comme décrit dans ce qui précède, des gouttelettes 52 de carburant provenant de l'injecteur pilote 22 ont tendance à pénétrer dans la zone 46 où le débit d'air est relativement important, ce qui conduit à une mauvaise combustion du carburant et à des émissions polluantes à bas régime.

L'invention apporte une solution à ce problème grâce à un débit d'air qui est injecté en aval du venturi et qui est destiné à contrôler les écoulements d'air et de carburant provenant de l'injecteur pilote pour éviter les inconvénients précités. L'invention apporte également une solution au problème d'échauffement de la paroi de séparation grâce à une technologie qui permet à la fois de limiter l'élévation de température de cette paroi et d'autre part d'améliorer l'écoulement provenant du circuit multipoint. Les figures 3 et 4 représentent un mode de réalisation du dispositif 110 d'injection selon l'invention qui diffère de celui décrit précédemment 30 notamment en ce qu'il ne comprend qu'un seul venturi 120 et que deux étages de vrilles 128, 130.

L'injecteur pilote 122 est monté à l'intérieur du premier étage de vrilles 128 dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont du venturi 120. Le venturi 120 est entouré par le circuit multipoint, qui est similaire à celui décrit dans ce qui précède, et par le second étage de vrilles 130 dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont d'un bol 132 tronconique. Selon l'invention, le venturi 120 comprend une cavité interne 160 alimentée en air depuis l'amont et comportant à son extrémité aval des orifices 162, 163 axiaux de passage d'air. La cavité interne 160 a une forme générale annulaire et est délimitée par des parois annulaires 164, 166 coaxiales du venturi, s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre. L'extrémité amont de la paroi annulaire interne 164 est reliée à l'extrémité aval du premier étage de vrilles 128. Cette paroi 164 a en section une forme en U ou en C dont la convexité est orientée radialement vers l'intérieur et définit un rétrécissement de la section de passage en sortie de l'injecteur pilote 122. L'extrémité aval de cette paroi 164 est reliée à une paroi tronconique 168 évasée vers l'aval, appelée paroi de séparation, et qui sera décrite plus en détail dans ce qui suit.

La paroi annulaire externe 166 est sensiblement cylindrique et s'étend depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique 144 (du circuit multipoint, dans laquelle sont formés les orifices d'injection) jusqu'à la périphérie externe d'une paroi annulaire 170 sensiblement radiale dont la périphérie interne est reliée à la zone de liaison de la paroi annulaire interne 164 et de la paroi de séparation 168. Comme cela est mieux visible en figure 4, la zone de liaison des parois 166 et 170 a en section une forme arrondie dont la convexité est orientée radialement vers l'extérieur, et qui est légèrement en saillie vers l'extérieur par rapport à la surface cylindrique externe de la paroi 166.

La cavité 160 est ouverte à son extrémité amont pour son alimentation en air comprimé sortant du compresseur, cet air étant destiné en partie à alimenter le premier étage de vrilles 128 et en partie à sortir de la cavité par les orifices 162, 163 précités de passage d'air. Une première rangée d'orifices 162 de passage d'air est formée dans la paroi radiale 170, ces orifices étant régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal du dispositif 110. Les orifices 162 ont une orientation axiale et débouchent en amont de la paroi de séparation 168 et au niveau de la périphérie interne de cette paroi 168. L'air sortant des orifices 162 impacte la paroi 168 et s'écoule d'amont en aval vers l'extérieur le long de cette paroi (flèche 180 en figure 4). L'impact de l'air sur la paroi 168 permet de refroidir cette paroi. Le flux d'air est ensuite guidé radialement vers l'extérieur par la paroi 168 et prend une composante radiale externe qui lui permet d'assurer une fonction de séparation des écoulements provenant des circuits de carburant, au- delà de l'extrémité aval de la paroi de séparation 168. La dimension axiale de la paroi 168 n'a donc pas besoin d'être surdimensionnée pour assurer une bonne séparation des écoulements. Une seconde rangée d'orifices 163 est formée dans la partie d'extrémité aval du venturi 120, au voisinage de la zone de jonction des parois 170, 168. Ces orifices 163 sont orientés d'amont en aval vers l'intérieur et délivrent un flux d'air 182 destiné à guider l'écoulement d'air et du carburant (cf. lignes 183 en traits pointillés en figure 3) provenant de l'injecteur 122 et générant également une zone annulaire 184 de recirculation d'air séparant les zones 146, 148 de combustion des circuits pilote et multipoint. Bien que le circuit pilote du dispositif 110 selon l'invention ne comprenne qu'une seule vrille 128, il pourrait en comporter deux. Dans la variante de réalisation de la figure 5, la paroi 170' de liaison de l'extrémité aval de la paroi 166 à la périphérie interne de la paroi de séparation 168' est sensiblement tronconique et s'étend sensiblement parallèlement à la paroi 168' et à faible distance de celle-ci de façon à définir un espace annulaire 171' de circulation d'air. Les orifices 162' formés dans la paroi 170' sont sensiblement perpendiculaires à cette paroi et à la paroi de séparation 168'. Ces orifices sont orientés d'amont en aval radialement vers l'intérieur.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (110) d'injection de carburant pour une chambre annulaire (16) de combustion de turbomachine, comprenant un circuit pilote alimentant un injecteur (122) débouchant dans un venturi (120) et un circuit multipoint alimentant une rangée annulaire d'orifices d'injection située radialement à l'extérieur du venturi, caractérisé en ce que le venturi comprend une cavité interne (160) alimentée en air et communiquant avec au moins une rangée annulaire de premiers orifices (163) de passage d'air débouchant sur la paroi radialement interne du venturi.
2. 2. Dispositif (110) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le venturi (120) est relié à son extrémité aval à une paroi (168) sensiblement tronconique de séparation des zones (146, 148) de combustion produites par les circuits pilote et multipoint, respectivement, et en ce que les premiers orifices (163) sont formés au voisinage de cette paroi de séparation.
3. 3. Dispositif (110) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité (160) du venturi (120) communique avec au moins une rangée annulaire de seconds orifices (162) de passage d'air formés dans une paroi annulaire aval (170) de la cavité, ces orifices débouchant en amont de la paroi de séparation (168) en vue de son refroidissement.
4. 4. Dispositif (110) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité radialement interne de la paroi aval (170) est reliée à l'extrémité amont de la paroi de séparation (168).
5. 5. Dispositif (110) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'extrémité radialement externe de la paroi aval (170) est reliée à l'extrémité aval d'une paroi externe (166) sensiblement cylindrique de la cavité interne (160), dont l'extrémité amont est entourée par les orifices d'injection du circuit multipoint.
6. 6. Dispositif (110) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les débouchés aval des orifices (162) de passage d'air sont situés àune distance de la paroi de séparation (168) telle que l'air délivré par ces orifices impacte cette paroi de séparation.
7. 7. Dispositif (110) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les débouchés aval des orifices (162) de passage d'air sont situés en regard de la périphérie interne de la paroi de séparation (168).
8. 8. Chambre annulaire (16) de combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif (110) d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes.
9. 9. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, 10 caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre (16) de combustion selon la revendication 8.