FR3050806A1 - Vrille d'admission d'air pour systeme d'injection de turbomachine comprenant un deflecteur aerodynamique a son entree - Google Patents

Vrille d'admission d'air pour systeme d'injection de turbomachine comprenant un deflecteur aerodynamique a son entree Download PDF

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Abstract

Une vrille d'admission d'air (100, 200) pour système d'injection (70) de turbomachine comprend une paroi amont (102, 202) et une paroi aval (104, 204), toutes deux de révolution autour d'un axe (44) de la vrille d'admission d'air, et des ailettes (106, 206) réparties autour de l'axe (44) et reliant la paroi amont à la paroi aval de manière à délimiter entre les parois amont et aval des canaux d'entrée d'air (108, 208) présentant chacun une entrée (110, 210) et une sortie (112, 212). La vrille comporte un déflecteur aérodynamique (120, 220) prolongeant la paroi aval (104, 204) radialement vers l'extérieur et présentant une concavité tournée vers l'amont. Le déflecteur aérodynamique s'étend en regard radialement des entrées (110, 210) respectives des canaux d'entrée d'air et permet ainsi de limiter la perte de charge de l'air alimentant les canaux d'entrée d'air (108, 208).

Description

VRILLE D'ADMISSION D'AIR POUR SYSTÈME D'INJECTION DE TURBOMACHINE COMPRENANT UN DÉFLECTEUR AÉRODYNAMIQUE À SON ENTRÉE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une vrille d'admission d'air destinée à faire partie d'un système d'injection d'air et de carburant dans une turbomachine, ainsi qu'un système d'injection pour turbomachine comprenant au moins une telle vrille d'admission d'air, et une turbomachine pour aéronef comprenant un tel système d'injection.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La figure 1 annexée illustre une turbomachine 10 pour aéronef d'un type connu, par exemple un turboréacteur à double flux, comportant de manière générale une soufflante 12 destinée à l'aspiration d'un flux d'air se divisant en aval de la soufflante en un flux primaire alimentant un cœur de la turbomachine et un flux secondaire contournant ce cœur. Le cœur de la turbomachine comporte, de manière générale, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine basse pression 22. La turbomachine est carénée par une nacelle 24 entourant l'espace d'écoulement 26 du flux secondaire. Les rotors de la turbomachine sont montés rotatifs autour d'un axe longitudinal 28 de la turbomachine.
La figure 2 représente la chambre de combustion 18 de la turbomachine de la figure 1. De manière classique, cette chambre de combustion, qui est de type annulaire, comprend deux parois annulaires coaxiales, respectivement radialement interne 32 et radialement externe 34, qui s'étendent de l'amont vers l'aval, selon le sens 36 d'écoulement du flux primaire de gaz dans la turbomachine, autour de l'axe de la chambre de combustion qui se confond avec l'axe 28 de la turbomachine. Ces parois annulaires interne 32 et externe 34 sont reliées entre elles à leur extrémité amont par une paroi annulaire de fond de chambre 40 qui s'étend sensiblement radialement autour de l'axe 28. Cette paroi annulaire de fond de chambre 40 est équipée de systèmes d'injection 42 répartis autour de l'axe 28 pour permettre, chacun, l'injection d'un prémélange d'air et de carburant centré selon un axe d'injection 44 respectif. Dans l'ensemble de la présente description, les directions axiale et radiale sont définies par référence à l'axe d'injection 44. De plus, un plan transversal est un plan orthogonal à l'axe d'injection 44.
En fonctionnement, une partie 46 d'un flux d'air 48 issu d'un diffuseur 49 et provenant du compresseur 16 alimente les systèmes d'injection 42 tandis qu'une autre partie 50 de ce flux d'air contourne la chambre de combustion en s'écoulant vers l'aval le long des parois coaxiales 32 et 34 de cette chambre et permet notamment l'alimentation d'orifices d'entrée d'air prévus au sein de ces parois 32 et 34.
Comme le montre la figure 3, chaque système d'injection 42 comporte de manière générale une douille 52, parfois dénommée « traversée coulissante », dans laquelle un nez d'injection de carburant 54 est monté, ainsi qu'une ou plusieurs vrilles d'admission d'air 56, 58, et enfin un bol 60, parfois dénommé « bol mélangeur » ou « bol de pré-vaporisation », qui prend essentiellement la forme d'une paroi annulaire ayant une partie tronconique évasée vers l'aval. Ces éléments sont centrés par rapport à l'axe d'injection 44.
Les vrilles d'admission d'air 56, 58 (également dénommées « swirlers » d'après la terminologie anglo-saxonne) sont séparées l'une de l'autre par une paroi annulaire qui se prolonge radialement vers l'intérieur pour former une paroi annulaire de déflection interne 62, également dénommée « venturi », ayant un profil interne de forme con ve rge nte-di ve rge nte.
Les systèmes d'injection 42 ont un rôle essentiel dans le fonctionnement de la chambre de combustion. Leur efficacité dépend notamment de la qualité de leur alimentation en air qui provient directement du diffuseur. À cet égard, les vrilles d'admission d'air 56, 58 contribuent au mélange de l'air et du carburant. Chaque vrille 56, 58 comporte ainsi une rangée annulaire d'ailettes inclinées de manière à mettre en rotation l'écoulement d'air 64 et améliorer ainsi l'atomisation du jet de carburant provenant du nez d'injection de carburant 54. En particulier, une partie de ce carburant ruisselle sous forme liquide sur la surface interne du venturi 62 et est cisaillé par l'air tourbillonnant au niveau de l'extrémité aval du venturi 62.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but d'améliorer les performances des systèmes d'injection des turbomachines.
Elle propose à cet effet une vrille d'admission d'air pour système d'injection de turbomachine, comprenant une paroi amont et une paroi aval toutes deux de révolution autour d'un axe de la vrille d'admission d'air, et des ailettes réparties autour de l'axe et reliant la paroi amont à la paroi aval de manière à délimiter entre les parois amont et aval des canaux d'entrée d'air présentant chacun une entrée agencée d'un côté radialement externe et une sortie agencée d'un côté radialement interne.
Selon l'invention, la vrille d'admission d'air comporte en outre un déflecteur aérodynamique qui prolonge la paroi aval radialement vers l'extérieur jusqu'à une extrémité libre du déflecteur aérodynamique, et qui présente une concavité tournée vers l'amont de sorte que le déflecteur aérodynamique s'étend en regard radialement des entrées respectives des canaux d'entrée d'air. D'une manière générale, le déflecteur aérodynamique permet de canaliser le flux d'air destiné à entrer dans les canaux d'entrée d'air et donc de limiter au mieux les pertes de charges de ce flux d'air.
Il en résulte une amélioration des performances générales d'une chambre de combustion de turbomachine équipée d'un système d'injection comprenant une telle vrille d'admission d'air, en particulier en termes de cycle thermodynamique global.
Dans un premier mode de réalisation préféré de l'invention, le déflecteur aérodynamique s'étend continûment sur 360 degrés autour de l'axe, depuis la paroi aval jusqu'à l'extrémité libre du déflecteur aérodynamique.
Dans un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, le déflecteur aérodynamique comporte des évidements formés dans l'extrémité libre du déflecteur aérodynamique de manière à délimiter entre eux des dents respectivement agencées en regard des entrées respectives des canaux d'entrée d'air.
De préférence, les parois amont et aval s'étendent sensiblement orthogonalement à l'axe.
Par ailleurs, le déflecteur aérodynamique est de préférence conformé de sorte qu'en chaque point de l'extrémité libre du déflecteur aérodynamique, un plan circonférentiel tangent à un bord radialement interne de l'extrémité libre est sensiblement parallèle à l'axe de la vrille d'admission d'air. L'invention concerne également un système d'injection pour injecter un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant une douille pour le centrage d'un injecteur, un bol, et au moins une première vrille d'admission d'air du type décrit ci-dessus agencée axialement entre la douille et le bol.
De préférence, le système d'injection comprend en outre une deuxième vrille d'admission d'air également du type décrit ci-dessus, agencée axialement entre la première vrille d'admission d'air et le bol.
Dans ce cas, la paroi aval de la première vrille d'admission d'air est de préférence la paroi amont de la deuxième vrille d'admission d'air.
De plus, le système d'injection comprend avantageusement une paroi annulaire de déflection interne ayant un profil interne de forme convergente-divergente, qui prolonge la paroi aval de la première vrille d'admission d'air vers l'intérieur du système d'injection.
De préférence, les extrémités libres respectives des déflecteurs aérodynamiques respectifs des première et deuxième vrilles d'admission d'air s'étendent sensiblement dans un même plan transversal.
Dans ce cas, la paroi amont de la première vrille d'admission d'air s'étend avantageusement dans le même plan transversal. L'invention concerne encore une turbomachine pour aéronef, comprenant une chambre de combustion et au moins un système d'injection du type décrit ci-dessus pour alimenter la chambre de combustion en un mélange d'air et de carburant.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en section axiale d'une turbomachine d'un type connu ; la figure 2, déjà décrite, est une demi-vue schématique en section axiale d'une chambre de combustion de la turbomachine de la figure 1 ; la figure 3, déjà décrite, est une vue schématique en section axiale d'un système d'injection de la chambre de combustion de la figure 2 ; - la figure 4 est une demi-vue schématique en section axiale d'un système d'injection selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique partielle en perspective et en section axiale du système d'injection de la figure 4 ; - les figures 6 et 7 sont des vue schématiques, respectivement en perspective et de face, d'un système d'injection selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Les figures 4 et 5 illustrent un système d'injection 70 semblable au système d'injection 42 de la figure 2 décrit ci-dessus mais comprenant deux vrilles d'admission d'air 100, 200 qui sont toutes deux conformes à un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Le système d'injection 70 est destiné à équiper une turbomachine pour aéronef du même type que la turbomachine de la figure 1 décrite ci-dessus, ou tout autre type de turbomachine.
Le système d'injection 70 comprend ainsi une douille 52 destinée à recevoir un nez d'injection de carburant, les vrilles d'admission d'air 100, 200, et un bol 60. Les vrilles d'admission d'air 100, 200 sont destinées à l'injection d'un flux d'air tourbillonnant dans deux espaces annulaires internes du système d'injection séparés l'un de l'autre par une paroi annulaire de déflection interne 62 ayant un profil interne de forme convergente-divergente, également dénommée « venturi », comme expliqué ci-dessus en relation avec le système d'injection 42 de type connu.
La première vrille d'admission d'air 100, également dénommée « vrille interne », comporte une paroi amont 102 et une paroi aval 104 qui sont toutes les deux de révolution autour d'un axe de la vrille qui se confond avec l'axe d'injection 44 du système d'injection. La première vrille d'admission d'air 100 comporte en outre des ailettes 106 réparties autour de l'axe 44 et reliant la paroi amont 102 à la paroi aval 104 de manière à délimiter entre les parois amont et aval des canaux d'entrée d'air 108. Chaque canal d'entrée d'air 108 présente une entrée 110 agencée d'un côté radialement externe et une sortie 112 agencée d'un côté radialement interne. Plus précisément, chaque entrée 110 est délimitée entre des extrémités radialement externes respectives des deux ailettes 106 consécutives qui délimitent le canal d'entrée d'air 108 correspondant. De manière analogue, chaque sortie 112 est délimitée entre des extrémités radialement internes respectives des deux ailettes 106 consécutives qui délimitent le canal d'entrée d'air 108 correspondant.
Selon une particularité de l'invention, la première vrille d'admission d'air 100 comporte en outre un déflecteur aérodynamique 120 qui prolonge la paroi aval 104 radialement vers l'extérieur jusqu'à une extrémité libre 122 du déflecteur aérodynamique 120. Ce dernier présente une concavité tournée vers l'amont. Le déflecteur aérodynamique 120 s'étend ainsi en regard radialement des entrées 110 respectives des canaux d'entrée d'air 108. L'extrémité libre 122 du déflecteur aérodynamique 120 est donc orientée globalement en direction de l'amont. D'une manière générale, le déflecteur aérodynamique 120 permet ainsi de canaliser le flux d'air Fl entrant dans les canaux d'entrée d'air 108 et donc de limiter au mieux les pertes de charges de ce flux d'air.
Dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention illustré sur les figures 4 et 5, le déflecteur aérodynamique 120 s'étend continûment sur 360 degrés autour de l'axe 44, depuis la paroi aval 104 jusqu'à l'extrémité libre 122 du déflecteur aérodynamique 120.
Dans l'exemple illustré, les parois amont 102 et aval 104 de la première vrille d'admission d'air 100 s'étendent orthogonalement à l'axe 44. La vrille est donc du type radial et présente ainsi une compacité optimale selon la direction axiale.
En variante, les parois amont 102 et aval 104 peuvent être inclinées par rapport à l'axe 44, sans sortir du cadre de l'invention.
De plus, dans l'exemple illustré, le déflecteur aérodynamique 120 présente une forme incurvée à partir de la paroi aval 104 et jusqu'à l'extrémité libre 122.
Le déflecteur aérodynamique 120 peut être avantageusement fabriqué au moyen d'un procédé de fabrication additive, par exemple du type fusion sélective par laser (SLM).
En variante, le déflecteur aérodynamique 120 peut présenter une ou plusieurs sections axiales incurvées et une ou plusieurs sections axiales cylindriques ou tronconiques agencées axialement bout-à-bout, sans sortir du cadre de l'invention.
En variante encore, le déflecteur aérodynamique 120 peut être constitué d'une succession de sections axiales de forme tronconique, ayant des angles au sommet respectifs d'autant plus petits que la section axiale considérée est éloignée de la paroi aval 104. Autrement dit, le déflecteur aérodynamique 120 peut présenter une courbure segmentée au lieu d'une courbure continue, sans sortir du cadre de l'invention.
Par ailleurs, dans l'exemple illustré, le déflecteur aérodynamique 120 est conformé de sorte qu'en chaque point de son extrémité libre 122, un plan circonférentiel PI tangent à un bord radialement interne 124 de l'extrémité libre 122 est parallèle à l'axe 44 de la première vrille d'admission d'air 100.
En outre, le déflecteur aérodynamique 120 est de révolution autour de l'axe 44. Le déflecteur aérodynamique 120 délimite ainsi une section d'entrée d'air SI de rayon constant autour de l'axe 44.
En variante, le déflecteur aérodynamique 120 peut présenter une forme irrégulière autour de l'axe 44 de manière à adapter le rayon de la section d'entrée d'air SI aux irrégularités de pression du flux d'air 46 issu du diffuseur 49 de la turbomachine.
La deuxième vrille d'admission d'air 200, qui est agencée axialement entre la première vrille d'admission d'air 100 et le bol 60, présente une configuration analogue à celle de la première vrille d'admission d'air 100.
En particulier, la deuxième vrille d'admission d'air 200, également dénommée « vrille externe », comporte une paroi amont 202, qui est la paroi aval 104 de la première vrille d'admission d'air 100, et une paroi aval 204. Les deux parois 202, 204 sont de révolution autour de l'axe de la vrille 200 qui se confond avec l'axe d'injection 44 du système d'injection. La deuxième vrille d'admission d'air 200 comporte en outre des ailettes 206 réparties autour de l'axe 44 et reliant la paroi amont 202 à la paroi aval 204 de manière à délimiter entre les parois amont et aval des canaux d'entrée d'air 208. Chaque canal d'entrée d'air 208 présente une entrée 210 agencée d'un côté radialement externe et une sortie 212 agencée d'un côté radialement interne. Plus précisément, chaque entrée 210 est délimitée entre des extrémités radialement externes respectives des deux ailettes 206 consécutives qui délimitent le canal d'entrée d'air 208 correspondant. De manière analogue, chaque sortie 212 est délimitée entre des extrémités radialement internes respectives des deux ailettes 206 consécutives qui délimitent le canal d'entrée d'air 208 correspondant.
De plus, la deuxième vrille d'admission d'air 200 comporte un déflecteur aérodynamique 220 qui prolonge la paroi aval 204 radialement vers l'extérieur jusqu'à une extrémité libre 222 du déflecteur aérodynamique 220.
Le déflecteur aérodynamique 220 présente des caractéristiques analogues à celles du déflecteur aérodynamique 120 de la première vrille d'admission d'air 100 décrit ci-dessus, et permet ainsi de canaliser le flux d'air F2 entrant dans les canaux d'entrée d'air 208.
En particulier, un plan circonférentiel P2 tangent à un bord radialement interne 224 de l'extrémité libre 222 est parallèle à l'axe 44 de la deuxième vrille d'admission d'air 200.
Dans l'exemple illustré, les extrémités libres 122, 222 respectives des déflecteurs aérodynamiques 120, 220 respectifs des première et deuxième vrilles d'admission d'air 100, 200 s'étendent sensiblement dans un même plan transversal P3, dans lequel s'étend également la paroi amont 102 de la première vrille d'admission d'air 100. Ainsi, les sections d'entrées d'air SI et S2 sont définies sensiblement dans le plan transversal P3.
Par ailleurs, la paroi annulaire de déflection interne 62 s'étend dans le prolongement de la paroi aval 104 de la première vrille d'admission d'air 100 vers l'intérieur du système d'injection 70.
Les figures 6 et 7 illustrent un système d'injection 70A globalement semblable au système d'injection 70 décrit ci-dessus, mais dans lequel les première et deuxième vrilles d'admission d'air 100A, 200A diffèrent des vrilles 100, 200 décrites ci-dessus, du fait que chacun de leurs déflecteurs aérodynamiques 120A, 220A respectifs comporte des évidements 126A, 226A formés dans son extrémité libre 122A, 222A. Ces évidements 126A, 226A délimitent entre eux des dents 128A, 228A respectivement agencées en regard des entrées 110, 210 respectives des canaux d'entrée d'air 108, 208.
Les dents 128A du déflecteur aérodynamique 120A de la première vrille d'admission d'air 100A sont avantageusement décalées angulairement par rapport aux dents 228A du déflecteur aérodynamique 220A de la deuxième vrille d'admission d'air 200A, de telle sorte que chaque dent 128A soit agencée en regard axialement d'un évidement 226A correspondant.
Les évidements 126A du déflecteur aérodynamique 120A de la première vrille d'admission d'air 100A permettent ainsi de laisser passer un surcroît d'air en direction de la deuxième vrille d'admission d'air 200A.
En variante, un système d'injection selon l'invention peut comporter une unique vrille d'admission d'air, ou encore une première vrille d'admission d'air conforme au deuxième mode de réalisation décrit ci-dessus et une deuxième vrille d'admission d'air conforme au premier mode de réalisation décrit ci-dessus, ou l'inverse.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Vrille d'admission d'air (100, 200, 100A, 200A) pour système d'injection (70, 70A) de turbomachine, comprenant une paroi amont (102, 202) et une paroi aval (104, 204) toutes deux de révolution autour d'un axe (44) de la vrille d'admission d'air, et des ailettes (106, 206) réparties autour de l'axe (44) et reliant la paroi amont à la paroi aval de manière à délimiter entre les parois amont et aval des canaux d'entrée d'air (108, 208) présentant chacun une entrée (110, 210) agencée d'un côté radialement externe et une sortie (112, 212) agencée d'un côté radialement interne, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un déflecteur aérodynamique (120, 220, 120A, 220A) qui prolonge la paroi aval (104, 204) radialement vers l'extérieur jusqu'à une extrémité libre (122, 222, 122A, 222A) du déflecteur aérodynamique, et qui présente une concavité tournée vers l'amont de sorte que le déflecteur aérodynamique s'étend en regard radialement des entrées (110, 210) respectives des canaux d'entrée d'air.
  2. 2. Vrille d'admission d'air selon la revendication 1, dans laquelle le déflecteur aérodynamique (120, 220) s'étend continûment sur 360 degrés autour de l'axe (44), depuis la paroi aval (104, 204) jusqu'à l'extrémité libre (122, 222) du déflecteur aérodynamique.
  3. 3. Vrille d'admission d'air selon la revendication 1, dans laquelle le déflecteur aérodynamique (120A, 220A) comporte des évidements (126A, 226A) formés dans l'extrémité libre (122A, 222A) du déflecteur aérodynamique de manière à délimiter entre eux des dents (128A, 228A) respectivement agencées en regard des entrées (110, 210) respectives des canaux d'entrée d'air.
  4. 4. Vrille d'admission d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les parois amont (102, 202) et aval (104, 204) s'étendent sensiblement orthogonalement à l'axe (44).
  5. 5. Vrille d'admission d'air selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le déflecteur aérodynamique (120, 220) est conformé de sorte qu'en chaque point de l'extrémité libre (122, 222) du déflecteur aérodynamique, un plan circonférentiel (PI, P2) tangent à un bord radialement interne (124, 224) de l'extrémité libre est sensiblement parallèle à l'axe (44) de la vrille d'admission d'air.
  6. 6. Système d'injection (70, 70A) pour injecter un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant une douille (52) pour le centrage d'un injecteur, un bol (60), et au moins une première vrille d'admission d'air (100, 100A) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 agencée axialement entre la douille (52) et le bol (60).
  7. 7. Système d'injection (70, 70A) selon la revendication 6, comprenant en outre une deuxième vrille d'admission d'air (200, 200A) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 agencée axialement entre la première vrille d'admission d'air (100,100A) et le bol (60), dans lequel la paroi aval (104) de la première vrille d'admission d'air (100, 100A) est la paroi amont (202) de la deuxième vrille d'admission d'air (200, 200A), le système d'injection comprenant en outre une paroi annulaire de déflection interne (62) ayant un profil interne de forme convergente-divergente, qui prolonge la paroi aval (104) de la première vrille d'admission d'air vers l'intérieur du système d'injection.
  8. 8. Système d'injection selon la revendication 7, dans lequel les extrémités libres respectives (122, 222, 122A, 222A) des déflecteurs aérodynamiques respectifs (120, 220,120A, 220A) des première et deuxième vrilles d'admission d'air (100, 200,100A, 200A) s'étendent sensiblement dans un même plan transversal (P3).
  9. 9. Système d'injection selon la revendication 8, dans lequel la paroi amont (102) de la première vrille d'admission d'air (100, 100A) s'étend dans le même plan transversal (P3).
  10. 10. Turbomachine pour aéronef, comprenant une chambre de combustion et au moins un système d'injection (70, 70A) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 pour alimenter la chambre de combustion en un mélange d'air et de carburant.
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