FR3081974A1 - Chambre de combustion d'une turbomachine - Google Patents

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Abstract

Chambre (1) annulaire de combustion, d'axe (C) de révolution, d'une turbomachine (3) délimitée par des parois (11, 12) annulaires interne et externe coaxiales réunies en amont par un fond (13) de chambre (1) sensiblement transversal auxdites parois, la chambre (1) comprenant en outre au moins un déflecteur (23) annulaire placé dans la chambre (1) et sensiblement parallèle au fond (13) de chambre (1), le fond (13) de chambre (1) comportant des orifices (24) destinés à être traversés par de l'air (25) de refroidissement par impact du déflecteur (23), le fond de chambre et le déflecteur comportant des orifices (13a) de montage d'une rangée annulaire de dispositifs (16) d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, caractérisée en ce qu'au moins une partie de l'air (25) de refroidissement du déflecteur (23) est acheminé à l'intérieur de la chambre (1) par des trous (26) pratiqués dans les dispositifs d'injection.

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION D’UNE TURBOMACHINE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une chambre annulaire de combustion d’une turbomachine.
ETAT DE L’ART
Une turbomachine comprend un générateur de gaz comportant notamment un ou plusieurs compresseurs, par exemple basse pression et haute pression, disposé(s) en amont d’une chambre de combustion.
Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine. De même, par convention dans la présente demande, les termes « interne » et « externe » sont définis radialement par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine, qui est notamment l’axe de rotation des rotors des compresseurs.
Traditionnellement, la chambre de combustion est annulaire d’axe C de révolution et placée dans une enceinte annulaire délimitée radialement par un carter annulaire externe et un carter annulaire interne. La chambre de combustion est délimitée par des parois annulaires interne et externe coaxiales réunies en amont par un fond de chambre, également annulaire, et sensiblement transversal.
La chambre de combustion est notamment alimentée en air comprimé provenant par exemple d’un compresseur haute pression disposé en amont de la chambre de combustion via notamment un diffuseur annulaire, et en carburant via des dispositifs d’injection répartis angulairement autour de l’axe C. La combustion du mélange air/carburant est initiée par un dispositif d’allumage et génère notamment un rayonnement thermique en direction du fond de chambre, le fond de chambre étant ainsi soumis à de fortes températures. Afin de protéger le fond de chambre, au moins un déflecteur annulaire (également appelé écran thermique) est placé dans la chambre de combustion en regard du fond de manière sensiblement parallèle, et à faible distance de ce dernier. Le déflecteur est généralement sectorisé et formé d’une pluralité de secteurs de déflecteur répartis angulairement autour de l’axe C.
Les secteurs de déflecteur sont refroidis par l’impact de jets d’air provenant également du compresseur haute pression et pénétrant dans la chambre de combustion à travers des orifices de refroidissement pratiqués dans le fond de chambre.
Ainsi, l’air de refroidissement des secteurs de déflecteur, s’écoulant de l’amont vers l’aval, traverse le fond de chambre à travers les orifices de refroidissement puis vient impacter les secteurs de déflecteur. L’air est ensuite guidé radialement vers l’intérieur et l’extérieur de la chambre pour initier, sur chacune des parois interne et externe, un film d’air de refroidissement qui s’écoule de l’amont vers l’aval.
Même si cette architecture permet de légèrement refroidir les parois interne et externe sur une portion amont de la chambre, elle pose toutefois quelques difficultés, et notamment lorsque la turbomachine fonctionne à un régime de ralenti.
En effet, notamment au régime de ralenti, ces films d’air de refroidissement piègent du carburant et autrement dit une quantité de carburant (généralement des hydrocarbures) est imbrûlée, au détriment du rendement de la combustion.
L’art antérieur comprend également les documents EP-A1-2012061, EP-A1 -2728263, US-A1 -2016/0503, EP-A2-1271059, EP-A2-0724119 et W0-A1-2014/052965.
L’objectif de la présente invention est de remédier à l’inconvénient précité.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention propose à cet effet une chambre annulaire de combustion, d’axe C de révolution, d’une turbomachine délimitée par des parois annulaires interne et externe coaxiales réunies en amont par un fond de chambre sensiblement transversal auxdites parois, la chambre comprenant en outre au moins un déflecteur annulaire placé dans la chambre et sensiblement parallèle au fond de chambre, le fond de chambre comportant des orifices destinés à être traversés par de l’air de refroidissement par impact du déflecteur, le fond de chambre et le déflecteur comportant des orifices de montage d’une rangée annulaire de dispositifs d’injection d’un mélange d’air et de carburant dans la chambre, caractérisée en ce qu’au moins une partie de l’air de refroidissement du déflecteur est acheminé à l’intérieur de la chambre par des trous pratiqués dans les dispositifs d’injection.
L’air de refroidissement du déflecteur est réutilisé dans les dispositifs d’injection et peut participer à mieux mélanger le carburant et à optimiser la forme et les dimensions du cône air-carburant injecté dans la chambre, au bénéfice du rendement de la combustion et plus globalement de la turbomachine.
Dans l’art antérieur, l’air introduit sous forme de film est perdu du point de vue de la combustion. Sous forme de film, il ne va avoir qu’une contribution relative aux réactions chimiques. L’invention propose de le réutiliser et de l’injecter dans le système d’injection.
La chambre selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le déflecteur est fixé de manière étanche aux parois interne et externe ; un tel montage permet de refroidir efficacement le déflecteur sans toutefois initier sur chacune des parois interne et externe un film de refroidissement,
- le déflecteur est sectorisé et comprend une pluralité de secteurs de déflecteur répartis angulairement autour de l’axe C, les secteurs étant assemblés de manière étanche les uns aux autres ;
- chaque secteur de déflecteur est fixé de manière étanche aux parois interne et externe via respectivement une lame interne et une lame externe, la lame interne étant engagée dans une rainure réalisée à la surface externe de la paroi interne et un logement interne du secteur de déflecteur, et la lame externe étant engagée dans une rainure réalisée à la surface interne de la paroi externe et un logement externe du secteur de déflecteur ;
- un premier secteur de déflecteur est assemblé de manière étanche à un deuxième secteur de déflecteur adjacent via une languette radiale, la languette étant engagée dans des gorges radiales des premier et deuxième secteurs de déflecteur ;
- les lames interne et externe sont venues de matière avec la languette de sorte à former un ensemble monobloc ;
- au moins certains des trous d’acheminement de l’air de refroidissement de chaque dispositif d’injection ont une orientation sensiblement radiale par rapport à un axe de ce dispositif ;
- au moins certains des trous d’acheminement de l’air de refroidissement de chaque dispositif d’injection ont une orientation inclinée par rapport à un axe de ce dispositif ;
- chaque dispositif d’injection comprend des premiers moyens de centrage d’un injecteur de carburant, des seconds moyens d’injection d’air et des troisièmes moyens de diffusion d’un mélange air-carburant, lesdits troisièmes moyens comportant un bol tronconique évasé vers l’aval et percé desdits trous ;
- lesdits troisièmes moyens comprennent une paroi cylindrique qui traverse lesdits orifices du fond de chambre et du déflecteur, et qui s’étend autour du bol de ces troisièmes moyens pour définir avec lui une cavité annulaire qui est en communication fluidique d’une part avec des canaux d’amenée de l’air de refroidissement du déflecteur et d’autre part avec lesdits trous ;
- ladite paroi cylindrique est traversée par des perçages s’étendant axialement dans l’épaisseur de la paroi et débouchant en regard d’une collerette annulaire externe située à une extrémité aval de plus grand diamètre dudit bol ;
- ladite cavité annulaire est fermée à ses extrémités axiales ;
- lesdits canaux s’étendent entre la cavité et un espace entre le fond de chambre et le déflecteur.
L’invention a pour deuxième objet une turbomachine comprenant une chambre de combustion telle que précédemment décrite.
DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement 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 est une vue de détail d’une demi-section longitudinale d’une turbomachine illustrant notamment une chambre de combustion de la turbomachine ;
- la figure 2 est une vue de détail de la figure 1 illustrant notamment la fixation d’un secteur de déflecteur de la chambre de combustion ;
- la figure 3 est une vue de face d’un secteur de déflecteur apte à être fixé dans la chambre de combustion ;
- la figure 4 est un vue de face d’un assemblage de deux secteurs de déflecteur représentés en figure 3.
DESCRIPTION DETAILLEE
Sur la figure 1 est représentée une chambre 1 annulaire de combustion, d’axe C de révolution, d’un générateur de gaz d’une turbomachine d’aéronef.
La chambre 1 de combustion est placée en aval d’un ou plusieurs compresseurs, par exemple basse pression et haute pression, et en amont d’une ou plusieurs turbines, par exemple basse pression et haute pression.
L’axe C de révolution de la chambre 1 de combustion est confondu avec l’axe longitudinal de la turbomachine 3, qui est notamment l’axe de rotation des rotors des compresseurs et turbines.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures et notamment la figure 1, la chambre 1 de combustion est notamment placée en aval d’un compresseur 4 haute pression.
Plus précisément, la chambre 1 est placée dans une enceinte 5 annulaire délimitée radialement par un carter 6 annulaire externe et un carter 7 annulaire interne. Le flux d’air 8 comprimé généré par le compresseur 4 débouche dans l’enceinte 5 via un diffuseur 9 annulaire.
La chambre 1 de combustion est délimitée par des parois 11, 12 annulaires interne et externe coaxiales réunies en amont par un fond 13 de chambre 1 sensiblement transversal aux parois 11 et 12.
Plus précisément, selon le mode de réalisation illustré sur les figures, la chambre 1 est sensiblement centrée radialement dans l’enceinte 5 de manière à définir d’une part un passage 14 d’air interne, annulaire, délimité radialement par la paroi 11 interne et le carter 7 interne, et d’autre part un passage 15 d’air externe, annulaire, délimité radialement par la paroi 12 externe et le carter 6 externe.
La chambre 1 est alimentée avec un mélange d’air et de carburant par plusieurs dispositifs d’injection 16 de carburant répartis angulairement de manière régulière autour de l’axe C. Plus précisément, chaque dispositif d’injection 16 comprend un injecteur 17 et un mélangeur 19.
L’injecteur 17 est coudé et a une extrémité fixée au carter externe 6 et une extrémité opposée formant une tête qui est engagée et centrée dans le mélangeur 19.
Le mélangeur 19 est fixé sur le fond 13 et plus exactement monté dans un orifice 13a du fond 13, pour permettre de pulvériser le mélange d’air et de carburant dans la chambre 1.
Le mélangeur 19 comprend, de l’amont vers l’aval, des moyens 19a de centrage de la tête de l’injecteur 17, des moyens 19b d’injection d’air, et des moyens 19c de diffusion d’un mélange air-carburant dans la chambre.
La chambre 1 est ainsi alimentée en air comprimé par le mélangeur 19, cet air comprimé étant mélangé au carburant apporté par les injecteurs
17.
La chambre 1 est également alimentée en air comprimé via notamment des trous 20 dits « primaires >> (par exemple une rangée circonférentielle sur la paroi 11 interne et sur la paroi 12 externe) et via des trous 21 « de dilution >> (par exemple une rangée circonférentielle sur la paroi 11 interne et sur la paroi 12 externe) situés en aval des trous 20 primaires. Les trous 20, 21 primaires et de dilution sont alimentés en air via les passages 14, 15 d’air interne et externe.
La combustion du mélange air/carburant est initiée via un ou plusieurs dispositifs 22 d’allumage fixés sur la paroi 12 externe. Selon l’exemple illustré, les dispositifs 22 d’allumage sont situés longitudinalement au niveau des trous 20 primaires.
Afin de refroidir les parois 11,12 interne et externe de la chambre 1 de combustion, ces dernières comprennent une pluralité de trous de refroidissement, généralement inclinés, répartis sous forme de rangées circonférentielles, de manière à réaliser un refroidissement communément appelé « par multi perforation >>.
Afin de protéger le fond 13 de chambre 1 vis-à-vis du rayonnement thermique engendré par la combustion, la chambre 1 comprend en outre au moins un déflecteur 23 annulaire placé dans la chambre 1, sensiblement parallèle au fond 13, et en regard d’orifices 24 de refroidissement pratiqués dans le fond 13 de chambre 1 (figure 2). Les orifices 24 sont traversés par de l’air 25 de refroidissement par impact du déflecteur 23 provenant du compresseur 4. Le déflecteur 23 est fixé en outre de manière étanche sur les parois 11, 12 interne et externe, et l’air 25 de refroidissement du déflecteur 23 est ensuite redirigé vers l’intérieur de la chambre 1 par des trous 26 pratiqués dans les dispositifs d’injection 16.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, le déflecteur 23 est sectorisé et comprend une pluralité de secteurs 23a répartis angulairement autour de l’axe C, les secteurs 23a étant assemblés de manière étanche les uns aux autres. Le nombre de secteurs 23a est égal au nombre de dispositifs 16. Chaque secteur 23a comprend une ouverture 27 centrale circulaire délimitée par un épaulement 28 périphérique en saillie vers l’amont et inséré dans l’orifice 13a du fond 13. Chaque secteur 23a est en regard d’orifices 24 de refroidissement pratiqués dans le fond 13. L’espace 30 présent entre le fond 13 de chambre 1 et le déflecteur 23 a une forme annulaire (axe C de révolution) dans laquelle circule l’air 25 de refroidissement du déflecteur 23 avant d’être acheminé à l’intérieur de la chambre 1 de combustion via les trous 26.
Dans l’exemple représenté, les moyens de diffusion 19c comprennent un bol tronconique 29a évasé vers l’aval et entouré par une paroi cylindrique 29b qui est montée coaxialement dans l’épaulement 28. Le bol 29a et la paroi 29b définissent entre elles une cavité annulaire E qui est fermée à ses extrémités axiales (en particulier par rapport à l’axe D) contrairement à la technique antérieure où cette cavité est en général ouverte axialement à l’amont pour recevoir de l’air comprimé.
La cavité E est alimentée en air de refroidissement 25 par des canaux 40 d’amenée d’air provenant de l’espace 30. Les canaux 40 s’étendent ici radialement par rapport à l’axe D du dispositif d’injection 16, à travers la paroi cylindrique 29b d’une part et l’épaulement 28 d’autre part. Les canaux 40 peuvent être sensiblement cylindriques et avoir un diamètre sensiblement égal à l’épaisseur de l’espace 30, comme cela est visible dans l’exemple représenté.
La cavité E est reliée aux trous 26 qui comprennent une rangée annulaire de premiers trous 26a s’étendant autour de l’axe D et formée à une extrémité amont de plus petit diamètre du bol 29a, et une rangée annulaire de seconds trous 26b s’étendant autour de l’axe D et formée à une extrémité aval de plus grand diamètre du bol 29a. Les trous 26a ont une orientation sensiblement radiale par rapport à l’axe D. Les trous 26b sont inclinés par rapport à l’axe D, d’amont en aval vers l’intérieur de cet axe.
Le mode de réalisation illustré dans les dessins ne constitue qu’un exemple particulier de réalisation de l’invention. En variante, la cavité E pourrait être reliée qu’à des trous 26a uniquement, ou au contraire qu’à des trois 26b uniquement.
La paroi cylindrique 29b est traversée par des perçages 48 qui s’étendent parallèlement à l’axe D dans l’épaisseur de la paroi 29b et qui débouchent à leurs extrémités aval en regard d’une collerette annulaire externe 49 située à l’extrémité aval de plus grand diamètre du bol 29a. Les perçages 48 débouchent à leurs extrémités amont pour l’alimentation en air comprimé des perçages, cet air comprimé étant destiné à refroidir par impact la collerette 49 du bol.
Comme on peut le constater à la figure 2, les perçages 48 ont une longueur relativement importante et supérieure à plus de cinq fois leur diamètre. Par opposition, les trous 26 et les orifices 24 ont une longueur comprise entre 1 et 3 fois leur diamètre.
On constate également que les extrémités amont des perçages 48 sont situées en amont du fond 13, et que leurs extrémités aval sont situées en aval du fond.
Dans l’exemple représenté, l’épaulement 28 et la paroi 29b sont fixés entre eux par un moyen annulaire 39 d’attache qui est visible dans les dessins.
Le fond 13 de chambre 1 est recouvert en amont par un carénage 31 annulaire (axe C de révolution) rapporté ayant globalement, en demisection longitudinale, une forme de C à concavité tournée vers l’aval. Le carénage 31 forme ainsi avec le fond 13 de chambre 1 un compartiment 32 annulaire. Au niveau de chaque dispositif 16 d’injection, le carénage 31 comprend une lumière 33 destinée notamment au passage de l’injecteur
17.
Tel qu’illustré sur la figure 1, en demi-section longitudinale, au niveau de chaque dispositif 16 d’injection, le flux d’air 8 comprimé généré par le compresseur 4 est ainsi séparé en sortie du diffuseur 9 en trois flux, à savoir un flux d’air 34 central pénétrant dans le compartiment 32 via la lumière 33, un flux d’air 35 de contournement interne empruntant le passage 14 interne et un flux d’air 36 de contournement externe empruntant le passage 15 externe. Le flux d’air 34 central se divise au sein du compartiment 32 en un flux d’air 37 d’alimentation de la chambre 1 de combustion à travers les mélangeurs 19 et un flux air 25 de refroidissement des secteurs 23a à travers les orifices 24.
Les secteurs 23a du déflecteur 23 sont refroidis par l’impact de jets d’air créés par le passage du flux d’air 25 de refroidissement des secteurs 23a de déflecteur 23 à travers les orifices 24 de refroidissement pratiqués dans le fond 13 de chambre 1. L’air 25 de refroidissement est ensuite évacué de l’espace 30 via les canaux 40 puis les trous 26.
Les secteurs 23a de déflecteur 23 sont fixés de manière étanche aux parois 11 et 12 interne et externe.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, notamment 3 et 4, chaque secteur 23a de déflecteur 23 est fixé de manière étanche aux parois 11 et 12 interne et externe via respectivement des lames 41, 42 interne et externe circulaires, la lame 41 interne étant engagée dans une rainure interne de la paroi 11 interne et un logement 43 circonférentiel interne du secteur 23a de déflecteur 23, et la lame 42 externe étant engagée dans une rainure 44 externe de la paroi 12 externe et un logement 45 circonférentiel externe du secteur 23a de déflecteur 23.
Les lames 41,42 sont montées avec jeux axial et/ou radial dans les rainures 44 et les logements 43, 45 de manière à permettre la dilatation de la chambre 1 de combustion tout en garantissant l’étanchéité entre les parois 11, 12 et les secteurs 23a de déflecteur 23, lors des différents régimes de fonctionnement du générateur 2 de gaz. Pour les mêmes raisons, le déflecteur 23 est radialement distant de la paroi 12 externe (respectivement de la paroi 11 interne).
Les secteurs 23a de déflecteur 23 sont assemblés de manière étanche les uns par rapport aux autres.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, un premier secteur 23a de déflecteur 23 est assemblé de manière étanche à un deuxième secteur 23a de déflecteur 23 adjacent via une languette 46 rectiligne radiale, la languette 46 étant engagée dans des gorges 47 radiales des premier et deuxième secteurs 23a de déflecteur 23. Ce mode de fixation ainsi que diverses variantes sont présentés dans la demande EP-A1-2012061 au nom de la demanderesse. Les premier et deuxième secteurs 23a de déflecteur 23 sont distants de manière à permettre la 5 dilatation de la chambre 1 de combustion tout en garantissant l’étanchéité entre les deux secteurs 23a adjacents, lors des différents régimes de fonctionnement du générateur de gaz.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, les lames 41,42 interne et externe sont venues de matière avec la languette 46 de sorte à 10 former un ensemble monobloc, l’ensemble étant par exemple réalisé dans un matériau métallique résistant aux fortes températures (par exemple à base de nickel et de cobalt).
Selon un mode de réalisation non représenté, les lames 41, 42 interne et externe ainsi que la languette 46 sont réalisées indépendamment 15 les unes des autres.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Chambre (1) annulaire de combustion, d’axe (C) de révolution, d’une turbomachine délimitée par des parois (11, 12) annulaires interne et externe coaxiales réunies en amont par un fond (13) de chambre (1) sensiblement transversal auxdites parois, la chambre (1) comprenant en outre au moins un déflecteur (23) annulaire placé dans la chambre (1) et sensiblement parallèle au fond (13) de chambre (1), le fond (13) de chambre (1) comportant des orifices (24) destinés à être traversés par de l’air (25) de refroidissement par impact du déflecteur (23), le fond de chambre et le déflecteur comportant des orifices (13a) de montage d’une rangée annulaire de dispositifs (16) d’injection d’un mélange d’air et de carburant dans la chambre, caractérisée en ce qu’au moins une partie de l’air (25) de refroidissement du déflecteur (23) est acheminé à l’intérieur de la chambre (1 ) par des trous (26) pratiqués dans les dispositifs d’injection.
  2. 2. Chambre (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le déflecteur (23) est fixé de manière étanche aux parois (11, 12) interne et externe.
  3. 3. Chambre (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le déflecteur (23) est sectorisé et comprend une pluralité de secteurs (23a) répartis angulairement autour de l’axe (C), les secteurs (23a) étant assemblés de manière étanche les uns aux autres.
  4. 4. Chambre (1) de combustion selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque secteur (23a) de déflecteur (23) est fixé de manière étanche aux parois (11, 12) interne et externe via respectivement une lame (41) interne et une lame (42) externe, la lame (41) interne étant engagée dans une rainure réalisée à la surface externe de la paroi (11) interne et un logement (43) interne du secteur (23a) de déflecteur (23), et la lame (42) externe étant engagée dans une rainure (44) réalisée à la surface interne de la paroi (12) externe et un logement (45) externe du secteur (23a) de déflecteur (23).
  5. 5. Chambre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins certains des trous d’acheminement de l’air de refroidissement (26, 26a) de chaque dispositif d’injection (16) ont une orientation sensiblement radiale par rapport à un axe (D) de ce dispositif.
  6. 6. Chambre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins certains des trous d’acheminement de l’air de refroidissement (26, 26b) de chaque dispositif d’injection ont une orientation inclinée par rapport à un axe (D) de ce dispositif.
  7. 7. Chambre (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque dispositif d’injection (16) comprend des premiers moyens (19a) de centrage d’un injecteur de carburant (17), des seconds moyens (19b) d’injection d’air et des troisièmes moyens (19c) de diffusion d’un mélange air-carburant, lesdits troisièmes moyens comportant un bol tronconique (29a) évasé vers l’aval et percé desdits trous (26).
  8. 8. Chambre (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lesdits troisièmes moyens (19c) comprennent une paroi cylindrique (29b) qui traverse lesdits orifices (13a) du fond de chambre (13) et du déflecteur (23), et qui s’étend autour du bol (29a) de ces troisièmes moyens pour définir avec lui une cavité annulaire (E) qui est en communication fluidique d’une part avec des canaux (40) d’amenée de l’air (25) de refroidissement du déflecteur et d’autre part avec lesdits trous (26).
  9. 9. Chambre (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ladite cavité annulaire (E) est fermée à ses extrémités axiales.
  10. 10. Chambre (1) selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que lesdits canaux (40) s’étendent entre la cavité (E) et un espace (30) entre le fond de chambre (13) et le déflecteur (23).
    5
  11. 11. Turbomachine comprenant une chambre (1) de combustion selon l’une des revendications précédentes.
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