FR3027059A1 - Systeme d'allumage d'une chambre de combustion d'un turbomoteur - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système d'allumage d'une chambre (2) de combustion d'un turbomoteur comprenant : une pluralité d'injecteurs (21a, 21b, 31a, 31b) de démarrage adaptés pour injecter du carburant dans ladite chambre (2) au cours d'une phase d'initiation de la combustion ; un circuit (6) d'alimentation en carburant desdits injecteurs de démarrage comprenant un premier sous-circuit, dit circuit primaire (20) de démarrage, configuré pour alimenter en carburant une partie de ladite pluralité d'injecteurs de démarrage ; un deuxième sous-circuit, dit circuit secondaire (30) de démarrage, configuré pour alimenter en carburant l'autre partie de ladite pluralité d'injecteurs de démarrage.

Description

1 SYSTEME D'ALLUMAGE D'UNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN TURBOMOTEUR 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un système d'allumage d'une chambre de combustion d'un turbomoteur. L'invention concerne en particulier le système d'allumage d'une chambre de combustion d'un turbomoteur apte à être mise dans un régime de veille et à être réactivé rapidement en cas de besoin. 2. Arrière-plan technologique Un hélicoptère bimoteur ou trimoteur présente de manière connue un système propulsif comprenant deux ou trois turbomoteurs, chaque turbomoteur comprenant un générateur de gaz et une turbine libre entrainée en rotation par le générateur de gaz, et solidaire d'un arbre de sortie. L'arbre de sortie de chaque turbine libre est adapté pour mettre en mouvement une boite de transmission de puissance, qui entraîne elle-même le rotor de l'hélicoptère. Le générateur de gaz comprend une chambre de combustion dans laquelle débouchent des injecteurs de carburant alimentés par un circuit d'alimentation. Il est connu que lorsque l'hélicoptère est en situation de vol de croisière (c'est-à-dire lorsqu'il évolue dans des conditions normales, au cours de toutes les phases du vol, hors phases transitoires de décollage, de montée, d'atterrissage ou de vol stationnaire), les turbomoteurs développent des puissances faibles inférieures aux puissances maximales continues. Ces faibles niveaux de puissance entraînent une consommation spécifique (ci-après, Cs), définie comme le rapport entre la consommation horaire de carburant par la chambre de combustion du turbomoteur et la puissance mécanique fournie par ce turbomoteur, supérieure de l'ordre de 30% à la Cs de la puissance maximale de décollage, et donc une surconsommation en carburant en vol de croisière. En outre, les turbomoteurs d'un hélicoptère sont conçus de manière surdimensionnée pour pouvoir maintenir l'hélicoptère en vol en cas de panne de l'un des moteurs. Cette situation de vol survient suite à la perte d'un moteur et se 3027059 2 traduit par le fait que chaque moteur en fonctionnement fournit une puissance bien au-delà de sa puissance nominale pour permettre à l'hélicoptère de faire face à une situation périlleuse, puis de pouvoir poursuivre son vol. Les turbomoteurs sont également surdimensionnés pour pouvoir assurer le 5 vol dans tout le domaine de vol spécifié par l'avionneur et notamment le vol à des altitudes élevées et par temps chaud. Ces points de vol, très contraignants, notamment lorsque l'hélicoptère a une masse proche de sa masse maximale de décollage, ne sont rencontrés que dans certains cas d'utilisation. Ces turbomoteurs surdimensionnés sont pénalisants en termes de masse et 10 de consommation de carburant. Afin de réduire cette consommation en vol de croisière, il est envisagé de mettre en veille en vol au moins l'un des turbomoteurs. Le ou les moteurs actifs fonctionnent alors à des niveaux de puissance plus élevés pour fournir toute la puissance nécessaire et donc à des niveaux de Cs plus favorables.
15 La mise en veille d'un turbomoteur impose de disposer d'un système de réactivation rapide qui permet de sortir rapidement le turbomoteur de l'état de veille en cas de besoin. Ce besoin peut par exemple résulter d'une panne de l'un des moteurs actifs ou de la dégradation imprévue des conditions de vol nécessitant un retour rapide de la pleine puissance.
20 Le demandeur a donc cherché à optimiser le système d'allumage d'une chambre de combustion d'un turbomoteur pour pouvoir notamment réactiver rapidement le turbomoteur lorsqu'il est en veille et que les conditions de vol imposent un retour rapide à la pleine puissance disponible. Un système d'allumage d'une chambre de combustion d'un turbomoteur 25 d'un hélicoptère comprend de manière connue des injecteurs de démarrage destinés à initier la combustion et des injecteurs principaux destinés à maintenir la combustion, une fois celle-ci initiée. Il est connu que les injecteurs principaux sont alimentés en carburant par un circuit principal et que les injecteurs de démarrage sont alimentés en carburant par un circuit de démarrage, distinct du 30 circuit principal. Un système d'allumage connu permet d'initier la combustion par l'intermédiaire des injecteurs de démarrage associés à au moins une bougie de 3027059 3 démarrage adaptée pour fournir l'étincelle permettant d'enflammer le mélange d'air et de carburant présent dans la chambre de combustion. Il s'ensuit une propagation de la flamme des injecteurs de démarrage vers les injecteurs principaux.
5 Lors de la conception d'un système d'allumage pour turbomoteur, les ingénieurs doivent faire un choix entre une utilisation d'un grand nombre d'injecteurs de démarrage, ce qui permet une propagation rapide de la flamme vers les injecteurs principaux, mais un acheminement plus lent du carburant vers tous les injecteurs, et une utilisation d'un petit nombre d'injecteurs de démarrage, 10 ce qui permet un acheminement plus rapide du carburant vers les injecteurs de démarrage, mais une propagation plus lente de la flamme vers les injecteurs principaux. Les inventeurs ont donc cherché à proposer une solution qui puisse à la fois permettre une propagation rapide de la flamme des injecteurs de démarrage 15 vers les injecteurs principaux et un remplissage rapide des injecteurs de démarrage. En d'autres termes, les inventeurs ont cherché à concilier les deux alternatives a priori incompatibles l'une avec l'autre. Les inventeurs ont également cherché à fournir un système d'allumage 20 dont la fiabilité est améliorée par rapport aux systèmes connus pour améliorer la sécurité des hélicoptères équipés de turbomoteurs hybrides aptes à être mis en régime de veille. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à fournir un système d'allumage d'une chambre de 25 combustion d'un turbomoteur qui permet un allumage rapide de la chambre de combustion compatible avec une réactivation rapide du turbomoteur. L'invention vise aussi à fournir un système d'allumage qui combine les avantages d'une propagation rapide de la flamme des injecteurs de démarrage vers les injecteurs principaux et un remplissage rapide des injecteurs de démarrage.
30 L'invention vise aussi à fournir un système d'allumage qui présente une fiabilité améliorée par rapport aux systèmes de l'art antérieur.
3027059 4 L'invention vise aussi à fournir un turbomoteur équipé d'un système d'allumage selon l'invention. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un système d'allumage d'une chambre 5 de combustion d'un turbomoteur d'un aéronef comprenant : une pluralité d'injecteurs de démarrage débouchant dans ladite chambre de combustion et adaptés pour injecter du carburant dans ladite chambre au cours d'une phase d'initiation de la combustion, un circuit d'alimentation en carburant desdits injecteurs de 10 démarrage, dit circuit de démarrage. Le système d'allumage selon l'invention est caractérisé en ce que le circuit de démarrage comprend : un premier sous-circuit, dit circuit primaire de démarrage, configuré pour alimenter en carburant une partie de ladite pluralité 15 d'injecteurs de démarrage, dits injecteurs de démarrage primaires, un deuxième sous-circuit, dit circuit secondaire de démarrage, configuré pour alimenter en carburant l'autre partie de ladite pluralité d'injecteurs de démarrage, dits injecteurs de démarrage secondaires.
20 Le système d'allumage est aussi caractérisé en ce que ledit circuit primaire de démarrage et ledit circuit secondaire de démarrage comprennent chacun un électro-clapet de démarrage piloté par une unité de commande de manière à autoriser ou interdire respectivement l'alimentation en carburant desdits injecteurs de démarrage primaires et secondaires.
25 Un système d'allumage selon l'invention comprend donc deux circuits de démarrage distincts, un circuit primaire destiné à alimenter des injecteurs de démarrage primaires et un circuit secondaire destiné à alimenter des injecteurs de démarrage secondaires. En outre, chaque circuit est équipé d'un électro-clapet piloté par une unité de commande pour autoriser ou interdire l'alimentation des 30 injecteurs. Un système d'allumage selon l'invention peut donc comprendre un grand nombre d'injecteurs de démarrage, sans néanmoins présenter l'inconvénient 3027059 5 d'un remplissage lent des injecteurs car ces injecteurs sont répartis dans deux circuits distincts d'alimentation. En outre, un système d'allumage selon l'invention présente une meilleure fiabilité que les systèmes de l'art antérieur en prévoyant deux circuits de 5 démarrage distincts. Aussi, en cas de panne d'un électro-clapet d'un des circuits de démarrage, l'autre circuit peut prendre le relais et assurer la réactivation du turbomoteur. Un tel système d'allumage est donc particulièrement adapté aux turbomoteurs hybrides aptes à être placés dans un régime de veille au cours du vol, en présentant une fiabilité améliorée permettant de garantir une réactivation 10 du turbomoteur en cas de besoin. Avantageusement et selon l'invention, les électro-clapets sont pilotés par l'unité de commande suivant une procédure séquentielle ou simultanée, le choix de la procédure dépendant des conditions de vol dudit aéronef. Les conditions de vol de l'aéronef, par exemple un hélicoptère, 15 comprennent par exemple la température ambiante, la pression ambiante, la vitesse de rotation du générateur de gaz du turbomoteur, etc. Ces différents paramètres sont utilisés par l'unité de commande pour définir quelle est la meilleure procédure de démarrage du turbomoteur à mettre en oeuvre compte tenu des conditions de vol, soit une procédure simultanée de démarrage des deux 20 circuits de démarrage, soit une procédure séquentielle de démarrage des deux circuits. Avantageusement et selon l'invention, lesdits électro-clapets sont pilotés par l'unité de commande de sorte qu'au sol, chaque circuit de démarrage est utilisé alternativement à chaque vol de manière à limiter une dormance d'une 25 panne éventuelle à un seul vol. Selon cette variante avantageuse, le système d'allumage est configuré de sorte qu'au sol, la turbine est démarrée alternativement à chaque vol, sur un seul circuit de démarrage. Cela permet de limiter la dormance d'une panne éventuelle à un seul vol.
30 Avantageusement et selon l'invention, chaque injecteur de démarrage est associé à une rampe d'alimentation en carburant de l'injecteur, ladite rampe 3027059 6 d'alimentation d'un injecteur de démarrage primaire présentant un volume inférieur à ladite rampe d'alimentation d'un injecteur de démarrage secondaire de manière à pouvoir être remplie plus rapidement en carburant. Selon cette variante avantageuse, les circuits primaire et secondaire sont 5 différents l'un de l'autre. Le circuit primaire présente des injecteurs à rampe de remplissage de volume réduit par rapport aux injecteurs secondaires. Aussi, les injecteurs primaires peuvent être rapidement remplis en carburant et initier rapidement la combustion de la chambre de combustion. Les injecteurs secondaires poursuivent la combustion et peuvent, en combinaison avec les 10 injecteurs primaires, assurer la propagation de la flamme vers les injecteurs principaux, une fois la combustion initiée. Avantageusement, un système d'allumage selon l'invention comprend une bougie adaptée pour fournir une étincelle permettant d'enflammer le carburant présent dans ladite chambre de combustion en regard de chaque injecteur de 15 démarrage. La présence d'une bougie en regard de chaque injecteur de démarrage primaire et secondaire - permet d'accélérer la combustion et la propagation de la flamme vers les injecteurs principaux. Avantageusement, un système d'allumage selon l'invention comprend 20 deux injecteurs de démarrage primaires et deux injecteurs de démarrage secondaires. Un système d'allumage selon l'invention, selon l'une ou l'autre des variantes avantageuses décrites, est particulièrement destiné à équiper un turbomoteur hybride apte à être mis dans un régime de veille pour permettre de le 25 réactiver en cas de besoin. Lorsque l'hélicoptère est au sol, les circuits de démarrage primaire et secondaire sont testés indépendamment l'un de l'autre pour vérifier leur intégrité et autoriser en vol la mise en veille du turbomoteur hybride. Au cours d'un vol de croisière de l'hélicoptère, le turbomoteur hybride 30 peut donc être mis en veille. Un système d'allumage selon l'invention peut également être configuré de 3027059 7 sorte qu'au sol, la turbine est démarrée alternativement à chaque vol, sur un seul circuit de démarrage. Cela permet de limiter la dormance d'une panne éventuelle à un seul vol. Si les conditions de vol imposent une réactivation normale du turbomoteur, 5 par exemple parce que l'hélicoptère va passer d'une phase de vol de croisière vers une phase d'atterrissage, le système d'allumage selon l'invention est utilisé en pilotant les deux circuits de démarrage primaire et secondaire et les différentes voies d'alimentation des bougies. Le pilotage des circuits primaire et secondaire peut se faire simultanément ou séquentiellement. Une réactivation normale du 10 turbomoteur hybride est une réactivation qui intervient dans un délai de 10 secondes à 1 minute, notamment de 30 secondes à 1 minute, après la commande de réactivation. Si les conditions de vol imposent une réactivation rapide du turbomoteur, par exemple parce que l'un des turbomoteurs actifs tombe subitement en panne, le 15 système d'allumage selon l'invention est utilisé en pilotant successivement le circuit de démarrage primaire, puis le circuit de démarrage secondaire dès que l'allumage de la chambre est détecté. Selon une autre variante, le pilotage des circuits primaire et secondaire est simultané. L'invention concerne également un turbomoteur comprenant une chambre 20 de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'allumage selon l' invention. L'invention concerne également un aéronef - en particulier un hélicoptère - comprenant au moins un turbomoteur selon l'invention. L'invention concerne également un système d'allumage, un turbomoteur et 25 un aéronef, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se 30 réfère à la figure 1 annexée, qui est une vue schématique d'un système d'allumage selon un mode de réalisation de l'invention. 3027059 8 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Sur la figure, les échelles et les proportions ne sont pas respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. La figure 1 représente schématiquement un système d'allumage d'une 5 chambre 2 de combustion d'un turbomoteur. Le système comprend des injecteurs 21a, 21b, 31a, 31b de démarrage qui débouchent dans la chambre 2 de combustion et qui sont adaptés pour injecter du carburant dans la chambre 2 au cours d'une phase d'initiation de la combustion. Le système comprend également des injecteurs 12 principaux qui 10 débouchent dans la chambre 2 de combustion et qui sont adaptés pour injecter du carburant dans la chambre 2 avec un débit plus important une fois que la combustion est initiée. Sur la figure, la chambre 2 de combustion est schématiquement représentée par un rectangle sur la figure 1, à des fins de clarté. En pratique, la 15 chambre de combustion comprend en général deux parois annulaires externe et interne s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre et reliées par une paroi annulaire de fond de chambre. Les injecteurs de carburant sont répartis sur toute la circonférence de la chambre de combustion. Le système comprend également un circuit d'alimentation en carburant des 20 injecteurs 12 principaux, dit circuit 5 principal, et un circuit d'alimentation en carburant des injecteurs 21, 31 de démarrage, dit circuit 6 de démarrage. Ces deux circuits sont reliés à une entrée 7 de carburant qui est alimentée en carburant par une pompe configurée pour prélever du carburant dans un réservoir de carburant, non représenté sur la figure 1.
25 Selon l'invention, le circuit 6 de démarrage d'alimentation en carburant des injecteurs 21, 31 de démarrage est formé de deux sous-circuits, un premier sous-circuit, dit circuit primaire 20 de démarrage, configuré pour alimenter en carburant les injecteurs 21, dits injecteurs de démarrage primaires, et un deuxième sous-circuit, dit circuit secondaire 30 de démarrage, configuré pour alimenter en 30 carburant les injecteurs 31 de démarrage, dits injecteurs de démarrage secondaires.
3027059 9 Le circuit 20 primaire de démarrage comprend en outre un électro-clapet 22 piloté par exemple par le calculateur électronique de régulation de l'hélicoptère, plus connu sous l'acronyme EECU. Le circuit 30 secondaire de démarrage comprend également un électro-clapet 32 piloté par 1'EECU. L'électro- 5 clapet 22 est configuré pour autoriser ou interdire l'alimentation en carburant des injecteurs 21 de démarrage primaires. L'électro-clapet 32 est configuré pour autoriser ou interdire l'alimentation en carburant des injecteurs 31 de démarrage primaires. Les injecteurs 21 de démarrage primaires présentent des rampes 10 d'alimentation en carburant de volume inférieur au volume des rampes d'alimentation en carburant des injecteurs 31 de démarrage secondaires. Il en résulte qu'à l'ouverture des électro-clapets, les injecteurs 21 primaires vont pouvoir rapidement se mettre en action et initier la combustion dans la chambre 2 de combustion. Les injecteurs 31 secondaires poursuivent la combustion dès que 15 les rampes correspondantes sont remplies, ce qui compte tenu de leur volume plus important, prend un peu plus de temps que pour les injecteurs primaires. Une fois les injecteurs 21, 31 de démarrage actifs, la combustion de la chambre de combustion est maintenue par la mise en action des injecteurs 12 du circuit principal combinée à une propagation de la flamme des injecteurs 31, 21 de 20 démarrage aux injecteurs 12 principaux. Une fois que les injecteurs 12 principaux ont pris le relais des injecteurs 21, 31 de démarrage, les circuits primaire et secondaire de démarrage sont purgés et les résidus de carburant sont expulsés vers un collecteur par l'intermédiaire des conduites 25, 35. La purge des injecteurs de démarrage après l'arrêt de leur alimentation permet d'éviter la cokéfaction 25 (carbonisation du carburant dans les tuyauteries) et donc le colmatage des injecteurs. Selon le mode de réalisation de la figure 1, chaque injecteur 21a, 21b, 31a, 31b de démarrage est associé à une bougie 23a, 23b, 33a, 33b agencée en regard de l'injecteur. Chaque bougie 23a, 23b, 33a, 33b est alimentée en électricité à 30 partir d'un circuit électrique 24, 34 comprenant une source d'énergie électrique à haute tension. Chaque bougie est configurée pour produire une étincelle 3027059 10 enflammant le mélange d'air et de carburant de la chambre 2 de combustion. La présence d'une bougie par injecteur de démarrage permet de diminuer le temps de propagation de la flamme vers les injecteurs principaux, et donc au final de réduire le temps de démarrage du turbomoteur équipé d'un tel système de 5 démarrage. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit. En particulier, selon d'autres modes de réalisation, le système d'allumage peut comprendre plus de 4 injecteurs de démarrage et/ou un nombre différent d'injecteurs de démarrage primaire et d'injecteurs de démarrage secondaire. 10

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Système d'allumage d'une chambre (2) de combustion d'un turbomoteur d'un aéronef comprenant : - une pluralité d'injecteurs (21a, 21b, 31a, 31b) de démarrage débouchant dans ladite chambre (2) de combustion et adaptés pour injecter du carburant dans ladite chambre (2) au cours d'une phase d'initiation de la combustion, - un circuit (6) d'alimentation en carburant desdits injecteurs (21a, 21b, 31a, 31b) de démarrage, dit circuit de démarrage, caractérisé en ce que ledit circuit (6) de démarrage comprend : - un premier sous-circuit, dit circuit primaire (20) de démarrage, configuré pour alimenter en carburant une partie de ladite pluralité d'injecteurs de démarrage, dits injecteurs (21a, 21b) de démarrage primaires, - un deuxième sous-circuit, dit circuit secondaire (30) de démarrage, configuré pour alimenter en carburant l'autre partie de ladite pluralité d'injecteurs de démarrage, dits injecteurs (31a, 31b) de démarrage secondaires. et en ce que ledit circuit primaire (20) de démarrage et ledit circuit secondaire (30) de démarrage comprennent chacun un électro-clapet (22, 32) de démarrage piloté par une unité de commande de manière à autoriser ou interdire respectivement l'alimentation en carburant desdits injecteurs (21a, 21b, 31a, 31b) de démarrage primaires et secondaires.
  2. 2. Système d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits électro-clapets (22, 32) sont pilotés par ladite unité de commande suivant une procédure séquentielle ou simultanée, le choix de la procédure dépendant des conditions de vol dudit aéronef.
  3. 3. Système d'allumage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits électro-clapets (22, 32) sont pilotés par ladite unité de commande 3027059 12 de sorte qu'au sol, chaque circuit de démarrage est utilisé alternativement à chaque vol de manière à limiter une dormance d'une panne éventuelle à un seul vol.
  4. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque 5 injecteur (21a, 21b, 31a, 31b) de démarrage est associé à une rampe d'alimentation en carburant de l'injecteur, ladite rampe d'alimentation d'un injecteur de démarrage primaire présentant un volume inférieur à ladite rampe d'alimentation d'un injecteur de démarrage secondaire de manière à pouvoir être remplie plus rapidement en carburant. 10
  5. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une bougie (23a, 23b, 33a, 33b) adaptée pour fournir une étincelle permettant d'enflammer le carburant présent dans ladite chambre (2) de combustion en regard de chaque injecteur de démarrage.
  6. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend 15 deux injecteurs (21a, 21b) de démarrage primaires et deux injecteurs (31a, 3 lb) de démarrage secondaires.
  7. 7. Turbomoteur comprenant une chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'allumage de ladite chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 6. 20
  8. 8. Aéronef comprenant au moins un turbomoteur selon la revendication 7.
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