FR3042588A1 - Dispositif d'injection pour une chambre de combustion d'une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection (2) pour une chambre de combustion d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un injecteur de carburant (11), au moins un premier élément (21) monté sur l'injecteur de carburant (11) ou relié à celui-ci et au moins un second élément (27, 28) destiné à être monté sur une paroi de fond (22) de la chambre de combustion, le premier élément (21) comportant un rebord radial (25) monté de façon mobile dans une gorge radiale (26) du second élément (27, 28), ladite gorge (26) étant délimitée par une première partie (27) et une seconde partie annulaire (28) montée dans un logement de la première partie (27), la périphérie radialement externe (28) de la seconde partie annulaire étant fixée à la première partie (27) par l'intermédiaire d'au moins un cordon de soudure. La seconde partie (28) comporte une zone dont la section présente une dimension radiale inférieure, située circonférentiellement en regard du cordon de soudure.

Description

Dispositif d’injection pour une chambre de combustion d’une turbomachine

La présente invention concerne un dispositif d’injection pour une chambre de combustion d’une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.

La demande de brevet FR 2 958 015, au nom de la Demanderesse, divulgue un dispositif d’injection pour une chambre de combustion, comportant un injecteur de carburant central, entouré par une première paroi annulaire formant un premier venturi et délimitant extérieurement un premier canal d’admission d’air autour de l’injecteur central. Une seconde paroi annulaire entoure la première paroi et forme un venturi situé en aval du premier venturi. Un second canal d’admission d’air est délimité par les première et seconde parois annulaires. Un bol entoure enfin la seconde paroi annulaire et délimite avec celle-ci un canal annulaire périphérique dans lequel débouchent des orifices d’éjection de carburant d’un injecteur périphérique ou multipoint et des moyens d’amenée d’air.

La périphérie radialement externe du bol comporte un rebord radial (par rapport à l’axe de l’injecteur central) monté de façon mobile dans une gorge radiale délimitée par un fourreau fixé sur une paroi de fond de la chambre de combustion et par une bague de fermeture soudée au fourreau.

Le déplacement radial du rebord dans la gorge permet de compenser les déplacements relatifs entre l’injecteur et le carter sur lequel il est fixé, d’une part, et la chambre de combustion, d’autre part. De tels déplacements apparaissent en fonctionnement en raison des dilatations différentielles entre les divers éléments de la turbomachine.

Le fourreau comporte une paroi radiale et un rebord cylindrique s’étendant axialement vers l’amont depuis la périphérie radialement externe de la paroi radiale. Le rebord comporte une partie amont dont le diamètre interne correspond sensiblement au diamètre externe de la bague de fermeture, et une partie aval d’un diamètre interne inférieur, formant un épaulement servant à l’appui de la bague de fermeture. La dimension axiale de la partie aval formant l’épaulement définit la largeur de la gorge précitée.

La bague de fermeture est montée dans la partie amont du rebord. Cette bague comporte une paroi radiale dont la périphérie externe comprend un rebord cylindrique s’étendant axialement vers l’aval. La paroi radiale de la bague de fermeture s’appuie sur l’épaulement du fourreau.

Les bords libres aval des rebords du fourreau et de la bague de fermeture sont fixés l’un à l’autre par soudage, plus particulièrement par l’intermédiaire de quatre cordons de soudure régulièrement répartis sur toute la circonférence.

En fonctionnement, une usure prématurée peut se produire au niveau du rebord radial du bol ou de la gorge radiale dans laquelle ledit rebord est engagé. En particulier, la bague de fermeture peut être déformée lors de l’étape de soudage au niveau des différents cordons de soudure de sorte que, du fait de cette déformation, la périphérie radialement interne de la bague de fermeture vient frotter contre le rebord radial inséré dans la gorge, usant ainsi les zones correspondantes.

La demande de brevet FR 2 980 554, divulgue un autre type de dispositif d’injection, comportant deux vrilles de turbulence amont et aval coaxiales reliées en amont à des moyens de centrage et de guidage de la tête de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur qui est monté axialement dans une ouverture de la paroi de fond de chambre.

Les vrilles comprennent chacune une pluralité d'aubages s'étendant radialement autour de l'axe de la vrille et régulièrement répartis autour de cet axe pour délivrer un flux d'air tournant en aval de la tête d'injection. Les vrilles sont séparées l'une de l'autre par une paroi radiale reliée à son extrémité radialement interne à un venturi qui s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille aval et qui sépare les écoulements d'air issus des vrilles amont et aval. Une première veine annulaire d'écoulement d'air est formée à l'intérieur du venturi et une seconde veine annulaire d'écoulement d'air est formée à l'extérieur du venturi.

Les moyens de centrage et de guidage de la tête de l'injecteur comportent un fourreau fixé sur la vrille amont et une bague de fermeture soudée au fourreau. Le fourreau et la bague de fermeture délimitent comme précédemment une gorge radiale annulaire dans laquelle un rebord annulaire d’un guide est engagé de façon mobile. Le guide entoure et est solidarisé à la tête de l’injecteur.

Comme précédemment, en fonctionnement, une usure prématurée peut se produire au niveau du rebord radial du guide ou de la gorge radiale dans laquelle ledit rebord est engagé. L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un dispositif d’injection pour une chambre de combustion d’une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, comprenant un injecteur de carburant, au moins un premier élément monté sur l’injecteur de carburant ou relié à celui-ci et au moins un second élément destiné à être monté sur une paroi de fond de la chambre de combustion, le premier élément comportant un rebord radial monté de façon mobile dans une gorge radiale du second élément, ladite gorge étant délimitée par une première partie et une seconde partie annulaire montée dans un logement de la première partie, la périphérie radialement externe de la seconde partie annulaire étant fixée à la première partie par l’intermédiaire d’au moins un cordon de soudure, caractérisé en ce que la seconde partie comporte une zone dont la section présente une dimension radiale inférieure, située circonférentiellement en regard du cordon de soudure.

En d’autres termes, la seconde partie comporte au moins une première zone, et au moins une seconde zone dont la section présente une dimension radiale inférieure à la première zone, chaque seconde zone étant située circonférentiellement en regard du cordon de soudure.

De cette manière, on réduit la quantité de matière de la seconde partie au droit de chaque cordon de soudure et on évite ainsi que, dans ces zones, la périphérie interne du rebord annulaire frotte sur la seconde partie. On limite ainsi l’usure du rebord et de la seconde partie délimitant une partie de la gorge.

La seconde partie peut être fixée à la première partie par l’intermédiaire de plusieurs cordons de soudure régulièrement répartis sur la circonférence, la seconde partie comportant une zone dont la section présente une dimension radiale inférieure, située circonférentiellement en regard de chaque cordon de soudure.

De plus, la zone dont la section est de dimension radiale inférieure peut être formée par une encoche située en périphérie radialement interne de la seconde partie.

Dans ce cas, chaque encoche peut comporter un bord de fond s’étendant circonférentiellement et situé radialement à l’extérieur de la périphérie radialement externe du rebord monté dans la gorge.

En outre, la première partie et la seconde partie peuvent comportent des moyens de positionnement complémentaires aptes à positionner angulairement la seconde partie par rapport à la première partie avant soudage.

Par ailleurs, le premier élément et la première partie du second élément peuvent comporter des moyens de positionnement complémentaires aptes à positionner angulairement le premier élément par rapport à la première partie du second élément avant soudage.

La première partie peut comporter un fourreau annulaire comprenant une paroi radiale dont la périphérie radialement externe comporte un rebord cylindrique, la seconde partie comportant une bague de fermeture montée à l’intérieur du rebord cylindrique du fourreau.

Le dispositif selon l’invention peut comporter des moyens d’amenée d’air et de formation d’un mélange de l’air avec le carburant issu de l’injecteur, lesdits moyens pouvant appartenir ou être solidaires du premier élément ou du second élément. L’invention concerne également une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif d’injection du type précité. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi - vue en coupe axiale d’une chambre annulaire de combustion équipée de dispositifs d’injection, selon une première forme de réalisation de l’invention, - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe longitudinale, de portions du dispositif d’injection selon l’invention, - les figures 4, 5 et 6 sont des vues en perspective d’une portion du dispositif d’injection, - la figure 7 est une vue en perspective de la deuxième partie du dispositif d’injection, - la figure 8 est une demi - vue en coupe axiale d’une portion d’une chambre annulaire de combustion équipée de dispositifs d’injection, selon une deuxième forme de réalisation de l’invention.

La figure 1 illustre une chambre de combustion annulaire de turbomachine 1, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, équipée de dispositifs 2 d’injection d’air et de carburant.

La chambre de combustion 1 est agencée en sortie d’un diffuseur 3, lui-même situé à la sortie d’un compresseur (non représenté). La chambre 1 comporte une paroi de révolution interne 4 et une paroi de révolution externe 5, reliées en amont par une paroi annulaire de fond de chambre 6 et fixées en aval par des brides interne et externe, respectivement sur un voile tronconique interne 7 du diffuseur 3 et sur un carter externe 8 de la chambre, l’extrémité amont de ce carter étant reliée à un voile tronconique externe 9 du diffuseur 3.

Un carénage annulaire 10 est fixé sur les extrémités amont des parois 4, 5 de la chambre 1 et comprend des orifices de passage d’air alignés avec des ouvertures de la paroi de fond de chambre 6 dans lesquelles sont montés les dispositifs 2 d’injection d’un mélange d’air et de carburant dans la chambre 1, l’air provenant du diffuseur 3 et le carburant étant amené par des injecteurs 11, 12 fixés sur le carter externe et régulièrement répartis autour de l’axe de la chambre. Chaque injecteur 11 comprend une tête 13 d’injection de carburant aligné sur l’axe A de l’ouverture correspondante.

Une partie du débit d’air fourni par le compresseur et sortant du diffuseur 3 alimente des conduits annulaires interne 14 et externe 15 de contournement de la chambre de combustion 1. L’autre partie du débit d’air pénètre dans l’enceinte 16 délimitée par le carénage 10, passe dans les dispositifs d’injection 2 et est ensuite mélangée au carburant amené par les injecteurs 11,12 avant d’être pulvérisée dans la chambre de combustion 1.

Comme cela est mieux visible à la figure 2, chaque dispositif 2 d’injection d’air et de carburant comporte un injecteur de carburant central 11 entouré par une première paroi annulaire 17 formant un premier venturi et délimitant extérieurement un premier canal d’admission d’air 18 autour de l’injecteur central 11. Une seconde paroi annulaire 19 entoure la première paroi 17 et forme un venturi en aval du premier venturi. Un second canal d’admission d’air 20 est délimité par les première et seconde parois annulaires 17, 19. Un bol 21 entoure enfin la seconde paroi annulaire 19 et délimite avec celle-ci un canal annulaire périphérique 22 dans lequel débouchent des orifices 23 d’éjection de carburant d’un injecteur périphérique 12 ou multipoint et des moyens d’amenée d’air 24.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux dispositifs d’injection multipoint mais peut être appliquée à tout type de dispositifs d’injection.

Les canaux 18, 20 et les moyens d’amenée d’air 24 comportent classiquement des ailettes destinées à imprimer au flux d’air les traversant (représentés par des flèches) un mouvement de giration favorisant l’homogénéisation du mélange d’air et de carburant.

La périphérie radialement externe du bol 21 comporte un rebord radial 25 monté de façon mobile dans une gorge radiale 26 délimitée par un fourreau 27 fixé sur la paroi de fond 6 de la chambre de combustion 1 et par une bague de fermeture 28 soudée au fourreau 27.

Le déplacement radial du rebord 25 dans la gorge 26 permet de compenser les déplacements relatifs entre les injecteurs 11, 12 et le carter 8 sur lequel ils sont fixés, d’une part, et la chambre de combustion 1, d’autre part. De tels déplacements apparaissent en fonctionnement en raison des dilatations différentielles entre les divers éléments de la turbomachine.

Comme cela est mieux visible à la figure 3, le fourreau 27 comporte une paroi radiale 29 et un rebord cylindrique 30 s’étendant axialement vers l’amont depuis la périphérie radialement externe de la paroi radiale 29. Le rebord 30 comporte une partie amont 31 (figure 3) dont le diamètre interne correspond sensiblement au diamètre externe de la bague de fermeture 28, et une partie aval 32 d’un diamètre interne inférieur, formant un épaulement 33 servant à l’appui de la bague de fermeture 28. La dimension axiale de la partie aval 32 formant l’épaulement 33 définit la largeur de la gorge 26 précitée.

La bague de fermeture 28 est montée à l’intérieur de la partie amont 31 du rebord 30 et comporte une paroi radiale 34 dont la périphérie externe comprend un rebord cylindrique 35 s’étendant axialement vers l’amont. La paroi radiale 34 de la bague de fermeture 28 s’appuie sur l’épaulement 33 du fourreau 27.

Les bords libres aval 36, 37 des rebords 31, 35 du fourreau 27 et de la bague de fermeture 28 sont fixés l’un à l’autre par soudage, plus particulièrement par l’intermédiaire de cordons de soudure 38 régulièrement répartis sur la circonférence et qui sont au nombre de quatre dans un exemple de réalisation.

Le rebord radial 25 peut également comporter une patte de couplage 39 s’étendant radialement vers l’extérieur, engagé dans des évidements de forme complémentaire 40, 41 ménagés dans les rebords 30, 35 du fourreau 27 et de la bague de fermeture 28 de manière à réaliser un couplage en rotation du bol 21, du fourreau 27 et de la bague de fermeture 28.

En fonctionnement, une usure prématurée peut se produire au niveau du rebord radial 25 du bol 21 ou de la gorge radiale 26 dans laquelle ledit rebord 25 est engagé. En particulier, la bague de fermeture 28 peut être déformée lors de l’étape de soudage au niveau des différents cordons de soudure 38 de sorte que, du fait de cette déformation, la périphérie radialement interne de la bague de fermeture 28 vient frotter contre le rebord radial 25 inséré dans la gorge 26, usant ainsi les zones correspondantes.

Comme cela est représenté aux figures 4 à 7, afin d’éviter une telle usure, la bague de fermeture 28 selon l’invention comporte des encoches 42, chaque encoche 42 étant située circonférentiellement en regard d’un cordon de soudure 38. Dans l’exemple représenté, la bague de fermeture 28 comporte ainsi quatre encoches 42. Chaque encoche 42 débouche en périphérie radialement interne de la bague de fermeture 28. Chaque encoche 42 comporte un bord de fond 43 s’étendant circonférentiellement, à une distance radiale d1 de la périphérie interne 44 de la bague de fermeture 28. On définit par d2 la distance radiale entre les périphéries radialement interne 44 et externe 45 de la bague de fermeture 28. La distance d1 est par exemple comprise entre 0,4 et 0,8 fois la distance d2, par exemple de l’ordre de 0,5 fois la distance d2.

En particulier, les bords de fond 43 des encoches 42 sont situés radialement à l’extérieur de la périphérie radialement externe 46 du rebord annulaire 25. De cette manière, même en cas de déformation locale de la bague de fermeture 28 aux alentours des cordons de soudure 38, les bords de fonds 43 des encoches 42 ne peuvent pas venir en appui frotter sur le rebord 25, ce qui évite toute usure prématurée.

On notera que le couplage en rotation du bol 21, du fourreau 27 et de la bague de fermeture 28 permet notamment de positionner correctement les encoches 42 de la bague de fermeture 28 circonférentiellement en regard des cordons de soudure 38 à réaliser, avant l’opération de soudage. En effet, la position angulaire de la patte 39 par rapport aux cordons de soudure 38 est connue.

La figure 8 représente un dispositif d’injection 2 équipant une chambre de combustion selon une autre forme de réalisation de l’invention.

Le système d’injection 2, comporte deux vrilles de turbulence amont et aval 47, 48 coaxiales reliées en amont à des moyens 49 de centrage et de guidage de la tête de l’injecteur, et en aval à un bol mélangeur 50 qui est monté axialement dans une ouverture de la paroi de fond de chambre 22.

Les vrilles 47, 48 comprennent chacune une pluralité d’aubages s’étendant radialement autour de l’axe A de la vrille et régulièrement répartis autour de cet axe A pour délivrer un flux d’air tournant en aval de la tête d’injection.

Les vrilles 47, 48 sont séparées l’une de l’autre par une paroi radiale 51 reliée à son extrémité radialement interne à un venturi 52 qui s’étend axialement vers l’aval à l’intérieur de la vrille aval 48 et qui sépare les écoulements d’air issus des vrilles amont et aval 47, 48. Une première veine annulaire d’écoulement d’air est formée à l’intérieur du venturi 52 et une seconde veine annulaire d’écoulement d’air est formée à l’extérieur du venturi 52.

Le bol mélangeur 50 comprend une paroi 53 sensiblement tronconique évasée vers l’aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 54 s’étendant vers l’amont et monté axialement dans l’ouverture de la paroi de fond de chambre 22 avec un déflecteur annulaire 55. L’extrémité amont de la paroi tronconique du bol est fixée par une pièce annulaire intermédiaire 56 à la vrille aval 48.

La paroi tronconique 53 du bol 50 comporte une rangée annulaire d’orifices d’injection d’air 57 régulièrement répartis autour de l’axe A du bol 50. L’air passant par ces orifices 57 et l’air s’écoulant dans les veines à l’intérieur et à l’extérieur du venturi 52 se mélangent au carburant pulvérisé par l’injecteur pour former une nappe tournante de mélange d’air et de carburant ayant une forme sensiblement tronconique s’élargissant vers l’aval. Les axes 58 de chacun des orifices d’injection d’air 57 du bol 50 sont inclinés par rapport à l’axe A du bol 50 et convergent vers celui-ci en direction aval.

Une seconde rangée annulaire d’orifices 59 est formée à la jonction entre l’extrémité amont du rebord cylindrique 54 et la paroi tronconique 53. Ces seconds orifices 59 assurent une ventilation de la face aval du déflecteur 55 et limitent réchauffement du fond de chambre 22.

En fonctionnement, les vrilles amont et aval 47, 48 du système d’injection 2 induisent une rotation du flux d’air et de carburant pulvérisé et les orifices d’injection d’air 57 de la paroi tronconique 53 du bol 50 réalisent un cisaillement du mélange air/carburant. Ainsi, plus le diamètre des orifices d’injections d’air 57 du bol 50 est grand, plus le débit d’air passant par ces orifices 57 est important, ce qui diminue l’angle d’ouverture de la nappe tronconique 60 de mélange air/carburant.

Afin d’assurer une bonne propagation circonférentielle de la flamme de combustion entre les systèmes d’injection 2, la configuration et le nombre des systèmes d’injection 2 sont déterminés de manière à ce que les nappes de carburant 60 des systèmes d’injection adjacents s’interceptent ou se croisent en direction circonférentielle en amont des orifices primaires de dilution 61 de manière à former un nuage de mélange air/carburant continu circonférentiellement.

Les moyens 49 de centrage et de guidage de la tête de l’injecteur comportent un fourreau 27 fixé sur la vrille amont 47 et une bague de fermeture 28 soudée au fourreau 27, par exemple par l’intermédiaire de quatre cordons de soudure 38. Le fourreau 27 et la bague de fermeture 28 délimitent comme précédemment une gorge radiale annulaire 26 dans laquelle un rebord annulaire 25 d’un guide 62 est engagé de façon mobile. Le guide 62 entoure et est solidarisé à la tête de l’injecteur, d’axe A.

Comme précédemment, en fonctionnement, une usure prématurée peut se produire au niveau du rebord radial 25 du guide 62 ou de la gorge radiale 26 dans laquelle ledit rebord 25 est engagé.

Afin d’éviter une telle usure, la bague de fermeture 28 a une structure similaire à celle décrite précédemment, et comporte ainsi des encoches 42, chaque encoche 42 étant située circonférentiellement en regard d’un cordon de soudure 38. Dans l’exemple représenté, la bague de fermeture 28 comporte ainsi quatre encoches 42. Chaque encoche 42 débouche en périphérie radialement interne de la bague de fermeture 28. Chaque encoche 42 comporte un bord de fond 43 s’étendant circonférentiellement. En particulier, les bords de fond 43 des encoches 42 sont situés radialement à l’extérieur de la périphérie radialement externe 46 du rebord annulaire 25. De cette manière, même en cas de déformation locale de la bague de fermeture 28 aux alentours des cordons de soudure 38, les bords de fond 43 des encoches 42 ne peuvent pas venir en appui frotter sur le rebord 25, ce qui évite toute usure prématurée.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif d’injection (2) pour une chambre de combustion (1) d’une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, comprenant un injecteur de carburant (11), au moins un premier élément (21, 62) monté sur l’injecteur de carburant (11) ou relié à celui-ci et au moins un second élément (27, 28) destiné à être monté sur une paroi de fond (22) de la chambre de combustion (1), le premier élément (21, 62) comportant un rebord radial (25) monté de façon mobile dans une gorge radiale (26) du second élément (27, 28), ladite gorge (26) étant délimitée par une première partie (27) et une seconde partie annulaire (28) montée dans un logement de la première partie (27), la périphérie radialement externe (28) de la seconde partie annulaire étant fixée à la première partie (27) par l’intermédiaire d’au moins un cordon de soudure (38), caractérisé en ce que la seconde partie (28) comporte une zone (42) dont la section présente une dimension radiale inférieure, située circonférentiellement en regard du cordon de soudure (38).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde partie (28) est fixée à la première partie (27) par l’intermédiaire de plusieurs cordons de soudure (38) régulièrement répartis sur la circonférence, la seconde partie (28) comportant une zone (42) dont la section présente une dimension radiale inférieure, située circonférentiellement en regard de chaque cordon de soudure (38).
3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone dont la section de dimension radiale inférieure est formée par une encoche (42) située en périphérie radialement interne de la seconde partie.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque encoche (42) comporte un bord de fond (43) s’étendant circonférentiellement et situé radialement à l’extérieur de la périphérie radialement externe (46) du rebord (25) monté dans la gorge (26).
5. 5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première partie (27) et la seconde partie (28) comportent des moyens de positionnement complémentaires (39, 40, 41) aptes à positionner angulairement la seconde partie 28 par rapport à la première partie (27) avant soudage.
6. 6. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier élément (21, 62) et la première partie (27) du second élément comportent des moyens de positionnement complémentaires (39, 40) aptes à positionner angulairement le premier élément (21, 62) par rapport à la première partie (27) du second élément avant soudage.
7. 7. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première partie comporte un fourreau annulaire (27) comprenant une paroi radiale (29) dont la périphérie radialement externe comporte un rebord cylindrique (30), la seconde partie comportant une bague de fermeture (28) montée à l’intérieur du rebord cylindrique (30) du fourreau (27).
8. 8. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens d’amenée d’air et de formation d’un mélange de l’air avec le carburant issu de l’injecteur.
9. 9. Turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, caractérisée en ce qu’elle comporte un dispositif d’injection selon l’une des revendications 1 à 8.