FR3028011A1 - Architecture de combustion de carburant adaptee pour le ralenti et le demarrage rapide - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une architecture (1) de combustion de carburant, comprenant : - une chambre de combustion principale (10), et - un système d'injection (20) débouchant dans ladite chambre, l'architecture (1) étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une chambre de combustion secondaire (40), comprenant : - une paroi (41) délimitant un volume interne de la chambre secondaire (40) inférieur au volume interne de la chambre de combustion principale (10), et - une ouverture d'échappement (43) débouchant dans la chambre principale (10), permettant la communication de fluide entre le volume interne de la chambre secondaire et celui de la chambre principale, et en ce que l'architecture comprend en outre un moyen d'allumage (22) de carburant et un injecteur de démarrage (21) débouchant dans la chambre secondaire, adaptés pour démarrer une combustion de carburant dans la chambre secondaire. L'invention concerne également un procédé de fonctionnement de l'architecture.

Description

ARCHITECTURE DE COMBUSTION DE CARBURANT ADAPTEE POUR LE RALENTI ET LE DEMARRAGE RAPIDE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des architectures de combustion de carburant de turbomachine. L'invention est notamment applicable à 5 des turbomachines amenées à fonctionner en régime de ralenti ou à redémarrer dans des conditions sévères. ETAT DE LA TECHNIQUE En référence à la figure 1, on a représenté un exemple de vue en 10 coupe partielle d'une turbomachine 1, au niveau de son architecture de combustion de carburant. La turbomachine comprend classiquement une chambre de combustion 2, qui peut être directe ou à flux inversé, et dans laquelle débouche une pluralité d'injecteurs alimentés en carburant par des 15 rampes d'injection (non représentées). Afin de permettre d'une part le démarrage de la combustion et d'autre part le maintien de celle-ci et l'augmentation de puissance de la turbomachine, deux types d'injecteurs sont utilisés. Les injecteurs de démarrage 3 permettent d'initier la combustion, et zo sont pour cela associés à des moyens d'allumage tels qu'une bougie. La bougie permet d'enflammer le mélange d'air et de carburant injecté et de propager la flamme vers le second type d'injecteur que sont les injecteurs principaux. Les injecteurs principaux 4 sont quant à eux dédiés à l'alimentation 25 de la combustion une fois initiée. Ils ne sont donc pas associés à des moyens d'allumage, et injectent un débit de carburant plus important que les injecteurs de démarrage. Pour caractériser les injecteurs on utilise une grandeur appelée Flow Number (FN) égale au débit en L/h de l'injecteur divisé par la racine carrée de la différence de pression en bars du mélange injecté entre sa pression à l'entrée et en sortie de l'injecteur. Le Flow Number des injecteurs de démarrage est inférieur au Flow Number des injecteurs principaux pour une turbomachine donnée. Le Flow Number d'un injecteur principal d'une machine est typiquement de 3 à 10 fois le Flow Nomber d'un injecteur de démarrage de la même machine. Le Flow Number d'un injecteur de démarrage est typiquement compris entre 1 et 4, de préférence entre 1,5 et 2, tandis que celui d'un injecteur principal est typiquement supérieur à 4, par exemple compris entre 5 et 20, avantageusement entre 7 et 15. Ces valeurs ne sont néanmoins pas limitatives mais dépendent de la puissance et du cycle thermodynamique du moteur. Cette différence de Flow Number résulte d'une différence de fonctionnalité des injecteurs : l'initiation de la combustion dans la chambre par les injecteurs de démarrage nécessite une faible quantité de carburant, tandis que la poursuite par les injecteurs principaux de la combustion au sein de la chambre pour conférer sa puissance à la turbomachine nécessite un débit beaucoup plus important.

Cette structure d'injection de carburant n'est pas adaptée à certaines conditions de fonctionnement de la turbomachine. Par exemple, dans le cas du régime dit de veille, qui est un régime à puissance nulle avec une vitesse de rotation du générateur de gaz inférieur à celui du ralenti usuel soit < 50 % de la vitesse correspondant à la puissance maximale de la turbomachine, les injecteurs principaux sont amenés à fonctionner dans des conditions très éloignées de leurs conditions nominales de fonctionnement. Ceci conduit à une dégradation du rendement de combustion, génére une quantité plus élevée d'imbrulés et produit une forte 30 hétérogénéité du champ de températures en sortie de chambre, ce qui peut réduire la durée de vie des parties chaudes.

Une autre difficulté apparaît quand la turbomachine doit être redémarrée rapidement depuis un mode de veille ou d'arrêt du moteur. Dans certains cas d'urgence la turbomachine doit pouvoir atteindre sa puissance maximale en quelques secondes. Dans ces cas, il peut être long et difficile de faire redémarrer la turbomachine. En effet, un injecteur de démarrage présente une limite de soufflage limitée. Il en résulte que le couple injecteur de démarrage/bougie est optimisé pour s'allumer à des régimes moteurs réduits, c'est-à-dire pour lesquels le débit d'air dans la chambre est le plus bas possible. Des difficultés peuvent ainsi apparaître lorsque la combustion doit être redémarrée alors que le régime moteur est encore élevé. De plus, les injecteurs principaux présentent une limite d'allumage assez élevée (c'est-à-dire la capacité, pour les injecteurs principaux, à allumer la chambre de combustion en présence d'un débit d'air), car ces injecteurs sont optimisés pour le fonctionnement dans la plage nominale du régime moteur. Ceci complique le transfert de flamme rapide depuis les injecteurs de démarrage et ne permet pas le redémarrage rapide escompté. Cette problématique est encore accrue par les évolutions récentes 20 tendant à favoriser des conditions de combustion pauvre, qui dégradent l'opérabilité de la chambre et en particulier augmentent encore les risques d'extinction de la chambre en cas de décélération rapide. Ce risque d'extinction est pallié en général par l'utilisation d'un injecteur privilégié, qui est un injecteur dont l'alimentation en carburant est 25 favorisée par rapport aux autres injecteurs pour maintenir le débit d'injection du mélange air-carburant. Cependant cette solution rend le circuit carburant plus complexe et plus coûteux et augmente les risques sur la durée de vie des parties chaudes de la chambre en aval de l'injecteur. 30 PRESENTATION DE L'INVENTION En conséquence, un but de l'invention est de proposer une architecture de combustion de carburant adaptée au régime de veille et adaptée pour fonctionner dans des conditions de démarrage sévères.

Un autre but de l'invention est de proposer une architecture simplifiée par rapport à une architecture comprenant un injecteur privilégié. A cet égard, l'invention a pour objet une architecture de combustion de 10 carburant de turbomachine, comprenant : - une chambre de combustion principale, de révolution autour d'un axe de la turbomachine, la chambre comprenant deux viroles de révolution respectivement interne et externe s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre, et une paroi annulaire de fond de chambre 15 reliant entre elles les viroles, et - au moins un système d'injection débouchant dans ladite chambre, l'architecture étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une chambre de combustion secondaire, ladite chambre secondaire comprenant : 20 - une paroi distincte des viroles et de la paroi de fond de chambre de la chambre de combustion principale, ladite paroi délimitant un volume interne de la chambre secondaire inférieur au volume interne de la chambre de combustion principale, et - une ouverture d'échappement débouchant dans la chambre de 25 combustion principale, permettant la communication de fluide entre le volume interne de la chambre secondaire et celui de la chambre principale, et en ce que l'architecture de combustion comprend en outre un moyen d'allumage de carburant et un injecteur de démarrage débouchant dans la 30 chambre secondaire, adaptés pour démarrer une combustion de carburant dans la chambre secondaire.

Avantageusement, mais facultativement, l'architecture comprend en outre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - l'architecture comprend au moins deux chambres de combustion secondaire ainsi qu'un injecteur de démarrage et un moyen d'allumage par chambre. - chaque chambre de combustion secondaire est montée sur la virole externe ou sur la paroi de fond de chambre de la chambre de combustion principale en étant orientée vers le système d'injection débouchant dans ladite chambre. - la chambre de combustion principale est du type direct ou à flux inversé. - le système d'injection débouchant dans la chambre principale comprend un injecteur principal, un injecteur dit pauvre, un injecteur principal de type à double circuit, ou une roue d'injection. - la chambre de combustion principale comprend une zone primaire au niveau de laquelle débouche chaque zone de combustion secondaire, et la chambre de combustion secondaire présente un paramètre CI au moins divisé par 2 par rapport au paramètre CI de la zone primaire de la chambre de combustion principale à un régime de puissance donné de la turbomachine, le paramètre CI étant défini pour une chambre par la relation suivante : Wair Vch OÙ Wair est le débit d'air dans la chambre au dit régime et Nie le volume de la chambre et K une fonction dépendant uniquement des conditions de 25 pression et de température en entrée de la chambre de combustion. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une architecture de combustion de carburant selon la présentation qui précède. _ P3).

L'invention a aussi pour objet un procédé de fonctionnement d'une turbomachine comprenant une telle architecture, comprenant l'allumage et l'alimentation en carburant de chaque chambre de combustion secondaire lors du démarrage de la turbomachine pour allumer la chambre de combustion principale. Avantageusement, mais facultativement, le procédé de fonctionnement présenté ci-avant peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - le procédé comprend en outre le maintien en état allumé d'au moins une chambre de combustion secondaire lors d'un fonctionnement nominal de la turbomachine. - Le procédé comprend l'allumage et le maintien en état allumé d'au moins une chambre de combustion secondaire, la chambre de combustion principale étant éteinte, lors d'un régime dit de veille de la turbomachine. L'architecture proposée comprend un système de démarrage, constitué par la ou les chambre(s) secondaire(s) et les moyens d'allumage associés, qui présente une plage de stabilité plus large que dans l'art antérieur. En effet, le volume indépendant d'une chambre secondaire est moins exposé aux débits d'air qui s'écoulent dans la chambre de combustion principale. De ce fait, les risques d'extinction de flamme sont diminués. De plus, le système d'injection de la chambre de combustion secondaire peut être maintenu en fonctionnement sur toute la plage de fonctionnement du régime moteur, ce qui permet d'assurer un régime de veille ou de rallumer rapidement la chambre de combustion principale en cas d'arrêt, et enfin améliore la limite d'extinction pauvre de la chambre principale sans recourir à la fonction d'injecteur privilégié. DESCRIPTION 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 décrite, représente une vue en coupe partielle d'une turbomachine de l'état de la technique, - La figure 2a représente une vue en coupe schématique d'une turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention - La figure 2b représente une vue en perspective partielle d'une architecture de combustion de carburant selon un mode de réalisation de l'invention. - La figure 3 représente les modes de fonctionnement de cette architecture en lien avec l'alimentation des chambres de combustion. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION zo DE L'INVENTION En référence à la figure 2a, on a représenté une vue partielle d'une architecture de combustion de carburant d'une turbomachine T. La turbomachine peut faire partie d'un ensemble bimoteur (non représenté) pour l'entrainement et la propulsion d'un aéronef tel qu'un hélicoptère. 25 La turbomachine comprend une architecture de combustion de carburant 1, comprenant une chambre de combustion principale 10 et un système d'injection de carburant 20 débouchant dans la chambre, l'architecture étant logée dans un carter 30. La chambre de combustion 10 comprend deux viroles, 30 respectivement interne 11 et externe 12, de révolution autour d'un axe commun X-X, qui est l'axe de rotation de la turbomachine. La virole interne s'étend à l'intérieur de la virole externe. La chambre de combustion comprend en outre une paroi annulaire de fond de chambre 13, ladite paroi reliant entre elles, à une extrémité, les deux viroles. La chambre de combustion peut être du type direct ou à flux inversé, comme sur la figure. Le système d'injection de carburant 20 est un système d'injection principal, c'est-à-dire adapté pour poursuivre une combustion dans la chambre une fois initiée par un système de démarrage, et alimenter cette combustion avec un débit de carburant permettant à la turbomachine d'atteindre sa puissance maximale. Le système d'injection peut comprendre au moins un injecteur principal, optionnellement du type injecteur pauvre (ou injecteurs de type LP ou LPP pour les acronymes anglais « Lean Premix » ou « Lean Premix Prévaporisé »). Optionnellement, l'injecteur principal peut être du type à double circuit. Ce type d'injecteur est adapté pour injecter dans la chambre, mélangé avec le carburant, un débit d'air supérieur au débit d'air injecté par un injecteur traditionnel, pour garantir des conditions pauvres de combustion. Alternativement, le système d'injection de carburant peut être une roue d'injection, qui est rotative autour de l'axe de la turbomachine et projette par centrifugation du carburant dans la chambre.

Le système d'injection 20 est monté sur la virole externe 12 ou la paroi de fond de chambre 13. On nomme zone primaire Zp la zone de mélange du carburant par l'air traversant ce système d'injection. Cette zone est comprise entre les viroles interne et externe, et à proximité de la paroi de fond de chambre 13, et parfois limitée en aval par une rangée de trous située en virole externe et/ou interne, afin d'être une zone riche peu exposée aux courants d'air dans la chambre.

En référence à la figure 2b, l'architecture 1 de combustion de carburant comprend également au moins une chambre de combustion secondaire 40. Cette chambre de combustion est distincte de la chambre principale et de volume plus réduit.

L'architecture 1 comprend de préférence au moins deux chambres de combustion secondaires 40 pour assurer une redondance sur le fonctionnement et sécuriser la flamme créée au niveau de cette chambre comme décrit ci-après. De préférence, si l'architecture 1 comprend plusieurs chambres secondaires 40, celles-ci sont avantageusement équi- réparties sur la circonférence de la chambre principale 10 afin de conserver un champ de température homogène dans cette chambre. Chaque chambre secondaire 40 comprend une paroi 41, avantageusement cylindrique, qui est distincte des parois de la chambre de combustion principale 10. Cette paroi 41 définit un volume interne 42 de la chambre de combustion secondaire, qui est strictement inférieur au volume interne de la chambre de combustion principale, et de préférence au moins inférieur au dixième du volume de la chambre de combustion principale 10. Les chambres de combustion 10, 40, sont aussi caractérisées par zo un paramètre CI, variable avec le régime de fonctionnement de la turbomachine, calculé par la formule suivante : Wair OÙ Wair est le débit d'air dans la chambre au régime donné, Nie le volume de la chambre, K une fonction commune à la chambre principale 10 et aux chambres secondaires 40 et dépendant uniquement de P3 et T3 25 respectivement la pression et la température de l'air en sortie du compresseur de la turbomachine à ce régime, Avantageusement, à régime fixé, par exemple à puissance donnée de la turbomachine, la chambre de combustion secondaire 40 présente un paramètre CI au moins divisé par 2, et de préférence au moins par 3, du _ K(T3, p3). , V ch paramètre CI de la zone primaire de la chambre de combustion principale 10. La fonction K étant commune aux chambres, il en résulte que chaque chambre de combustion secondaire 40 présente un paramètre CI', également dépendant du régime de la turbomachine, et défini par le ratio WairNch, divisé au moins par 2, et de préférence au moins par 3 du paramètre Cl' de la zone primaire de la chambre de combustion principale pour un régime donné, par exemple à puissance maximale, ou lors du ralenti ou du démarrage.

L'architecture 1 de combustion de carburant comprend en outre un injecteur de démarrage 21, et un moyen d'allumage 22 tel qu'une bougie par chambre secondaire 40. L'injecteur 21 et la bougie 22 débouchent dans la chambre secondaire et permettent de générer une flamme dans cette chambre 40.

La chambre de combustion secondaire 40 comprend en outre une ouverture d'échappement 43 qui débouche dans la zone primaire de la chambre de combustion principale 10 au travers d'une ouverture pratiquée dans une paroi de celle-ci. Avantageusement, la chambre de combustion secondaire 40 est rapportée sur la chambre de combustion principale au niveau de sa virole externe 12 ou de sa paroi de fond de chambre 13, et est orientée vers le système d'injection 20 débouchant dans la chambre principale. Chaque chambre secondaire 40 est fixée à la chambre principale par des moyens de fixation classiques tels que boulonnage ou soudage.

Le fait de déboucher dans la zone primaire vers le système d'injection 20 permet que la flamme générée par l'injecteur de démarrage 21 et la bougie 22 dans la chambre secondaire enflamme le carburant injecté par le système d'injection 20 dans la chambre principale 10. Compte-tenu des caractéristiques relatives de la chambre secondaire 40 et de la chambre principale 10, la combustion dans la chambre secondaire 40 présente une stabilité plus importante que dans la chambre principale, car la proportion Volume sur Débit d'Air y est plus favorable que dans la chambre de combustion principale (cf. ratio de la charge aérodynamique û évoqué plus haut). De ce fait, la flamme générée dans la chambre secondaire présente moins de risques d'extinction, quel que soit le régime moteur. En particulier, la flamme créée dans la chambre secondaire 40 permet d'allumer la chambre de combustion principale 10 rapidement sans risque de soufflage lors d'un démarrage rapide, même avec un débit d'air important dans la chambre principale.

De plus on peut utiliser une chambre secondaire 40 lors du régime de veille, en alimentant l'injecteur de démarrage, la chambre principal 10 étant éteinte, ce qui évite d'utiliser le système d'injection principal 20 hors de sa plage de fonctionnement nominal et donc de dégrader certaines parties de la chambre et les parties chaudes en aval.

En référence à la figure 3, on a représenté les différents régimes d'utilisation d'une telle architecture. Lors du démarrage 100, qui peut le cas échéant être un démarrage ou redémarrage rapide de la turbomachine, nécessitant d'atteindre la pleine puissance en quelques secondes, la ou les chambres de combustion secondaires 40 sont alimentées en carburant pour allumer la chambre de combustion principale. Les injecteurs 20 et 21 sont donc alimentés. Puis, lors du fonctionnement nominal 200 de la turbomachine, selon un premier mode de mise en oeuvre, appelé « démarrage » dans la figure, seul le système d'injection 20 de la chambre de combustion principale 10 est alimenté, et chaque chambre secondaire 40 est éteinte, ce qui signifie que la ou les chambres secondaires 40 sont uniquement utilisées pour le démarrage de la turbomachine et sont éteintes ensuite. Dans ce cas, l'architecture comprend avantageusement au moins 30 deux chambres de combustion secondaires 40, et, en fonction de la dimension de la chambre principale, un nombre suffisant pour permettre l'allumage rapide de la chambre en cas d'arrêt. A cet égard, un nombre compris entre 2 et 6 chambres de combustion secondaires est préféré. Cependant, selon un mode de mise en oeuvre alternatif, appelé « veille » dans la figure, l'injecteur de démarrage 21 d'au moins une 5 chambre 40 peut être alimenté également, de sorte que cette chambre 40 soit allumée en continu quel que soit le régime de la turbomachine. Ceci permet de conserver une « veilleuse » déjà allumée en cas de besoin de redémarrage rapide de la chambre principale, et de protéger la chambre de l'extinction, comme par exemple lors d'une décélération rapide où, 10 dans les premiers instants de la manoeuvre, le débit carburant chute très rapidement alors que le débit d'air se maintient. Enfin, le régime de veille 300 est avantageusement assuré en ne maintenant allumée(s) qu'une ou plusieurs chambres de combustion secondaires 40, comme indiqué ci-avant.

15 L'architecture proposée présente donc une stabilité plus importante de combustion, et permet en outre une variété de configurations possibles, notamment sur le nombre de chambres de combustion secondaires 40, en fonction de l'usage envisagé pour ces chambres 40.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Architecture (1) de combustion de carburant de turbomachine (T), comprenant : - une chambre de combustion principale (10), de révolution autour d'un axe (X-X) de la turbomachine (T), la chambre comprenant deux viroles de révolution respectivement interne (11) et externe (12) s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre, et une paroi annulaire (13) de fond de chambre reliant entre elles les viroles, et - au moins un système d'injection (20) débouchant dans ladite chambre, l'architecture (1) étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une chambre de combustion secondaire (40), ladite chambre secondaire comprenant : 15 - une paroi (41) distincte des viroles (11, 12) et de la paroi de fond de chambre (13) de la chambre de combustion principale (10), ladite paroi (41) délimitant un volume interne (42) de la chambre secondaire (40) inférieur au volume interne de la chambre de combustion principale (10), et 20 - une ouverture d'échappement (43) débouchant dans la chambre de combustion principale (10), permettant la communication de fluide entre le volume interne (42) de la chambre secondaire (40) et celui de la chambre principale (10) et en ce que l'architecture de combustion comprend en outre un moyen 25 d'allumage (22) de carburant et un injecteur de démarrage (21) débouchant dans la chambre secondaire (40), adaptés pour démarrer une combustion de carburant dans la chambre secondaire.
2. 2. Architecture (1) de combustion de carburant selon la revendication 1, 30 comprenant au moins deux chambres de combustion secondaire (40)ainsi qu'un injecteur de démarrage (21) et un moyen d'allumage (22) par chambre.
3. 3. Architecture (1) de combustion de carburant selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle chaque chambre de combustion secondaire (40) est montée sur la virole externe (12) ou sur la paroi de fond de chambre (13) de la chambre de combustion principale (10) en étant orientée vers le système d'injection (20) débouchant dans ladite chambre (10).
4. 4. Architecture (1) de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la chambre de combustion principale (10) est du type direct ou à flux inversé.
5. 5. Architecture (1) de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le système d'injection (20) débouchant dans la chambre principale (10) comprend un injecteur principal, un injecteur dit pauvre, un injecteur principal du type à double circuit, ou une roue d'injection.
6. 6. Architecture (1) de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la chambre de combustion principale (10) comprend une zone primaire (Zp) au niveau de laquelle débouche chaque zone de combustion secondaire (40), et la chambre de combustion (40) présente un paramètre CI au moins divisé par 2 par rapport au paramètre CI de la zone primaire de la chambre de combustion principale (10) à un régime de puissance donné de la turbomachine, le paramètre CI étant défini pour une chambre par la relation suivante : Wair _ P3).OÙ Wair est le débit d'air dans la chambre audit régime, et Vch le volume de la chambre et K une fonction dépendant uniquement des conditions de pression et de température en entrée de la chambre de combustion.
7. 7. Turbomachine (T), comprenant une architecture (1) de combustion de carburant selon l'une des revendications précédentes.
8. 8. Procédé de fonctionnement d'une turbomachine (T) selon la revendication 7, comprenant l'allumage et l'alimentation en carburant de 10 chaque chambre de combustion secondaire (40) lors du démarrage de la turbomachine pour allumer la chambre de combustion principale (10).
9. 9. Procédé de fonctionnement d'une turbomachine (T) selon la revendication 8, comprenant en outre le maintien allumée d'au moins une 15 chambre de combustion secondaire (40) lors d'un fonctionnement nominal de la turbomachine.
10. 10. Procédé de fonctionnement d'une turbomachine (T) selon l'une des revendications 8 ou 9, comprenant l'allumage et le maintien allumée d'au 20 moins une chambre de combustion secondaire (40), la chambre de combustion principale (10) étant éteinte, lors d'un régime dit de veille de la turbomachine.