FR3095006A1 - Injecteur de carburant a element chauffant integre pour une turbine a gaz et son procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Injecteur (1, 1') de carburant pour une turbine à gaz comprenant une chambre de combustion (2), l'injecteur (1, 1') comprenant : - un pulvérisateur (16) configuré pour pulvériser un mélange (M) d'air et de carburant, - une buse (11) comportant une sortie (4) destinée à alimenter la chambre de combustion avec le mélange (M) d'air et de carburant pulvérisé, - au moins un élément incandescent (18) configuré pour enflammer le mélange (M) d'air et de carburant en amont de la sortie (4), caractérisé en ce que ledit au moins un élément incandescent est réalisé simultanément avec la buse de façon à être intégré dans la buse. Figure pour l'abrégé : Figure 2
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un injecteur de carburant à élément chauffant intégré pour une turbine à gaz, et son procédé de fabrication.
Arrière-plan technique
Lors du démarrage d'une turbine à gaz, il faut initier la combustion d'un gaz en apportant une énergie d'activation, typiquement sous forme de chaleur, fournie par un système d'allumage. Conventionnellement, du carburant est pulvérisé dès le démarrage de la turbine de sorte à produire un mélange d'air et de carburant, et une bougie enflamme le mélange d'air et de carburant. A cet effet, il est connu d'utiliser une bougie « à étincelles » (ou éclateur), c'est-à-dire une bougie utilisant une décharge électrique à haute tension qui vainc la rigidité diélectrique de l'air pour enflammer le mélange d'air et de carburant.
On distingue deux types de bougies à étincelles selon leur diélectrique:
- les bougies à air, qui nécessitent une tension de l'ordre de quelques dizaines de milliers volts, et
- les bougies à semi-conducteur, nécessitant une tension de l'ordre de quelques milliers de volts.
Une telle bougie à étincelles est conventionnellement agencée dans une chambre de combustion de la turbine à gaz, au regard d'un ou plusieurs injecteurs en général dédiés au démarrage.
Une bougie à étincelles présente toutefois de nombreux inconvénients:
- son fonctionnement est sensible à la présence de carburant sur ou dans le diélectrique ;
- son fonctionnement est sensible à la pression de l'air de la chambre de combustion, et n'est pas adaptée pour le redémarrage de la turbine en vol, en particulier en altitude,
- elle nécessite un boitier d'alimentation dédié, relativement complexe et couteux,
- elle doit être alimentée avec une tension élevée pour fonctionner, au point de requérir des câbles et connecteurs spécifiques spéciaux, et des protections contre les dangers aux personnes et contre les perturbations électromagnétiques qui en résultent,
- leur durée de vie dépend de la température, de la pression du mélange et du nombre de claquages générés lors de phases de démarrage de la turbine à gaz.
Alternativement, il est connu d'utiliser une bougie « à incandescence » (ou « glow plug » en anglais). Une telle bougie, typiquement utilisée pour le préchauffage d'un moteur diesel, utilise une tension d'alimentation continue, de l'ordre de quelques dizaines de volts.
Une telle bougie à incandescence est conventionnellement agencée à l'intérieur de la chambre de combustion. Or, un tel agencement engendre des contraintes thermiques très élevées et dégrade la durée de vie de la bougie à incandescence. Une conséquence possible est la casse d'une partie de la bougie ; cette partie libérée peut alors endommager d'autres parties de la turbine ou plus généralement du moteur de l'aéronef embarquant la turbine à gaz.
Par ailleurs, la densité de puissance nécessaire à l'allumage de la flamme est importante, et contribue à la détérioration de la bougie. Il a par ailleurs été tenté d'utiliser, en lieu et placer d'une bougie à étincelles ou à incandescence, un laser pour allumer un mélange d'air et de carburant. Toutefois, les systèmes d'allumage par laser existants ne sont pas encore matures et demeurent à l'état de prototypes ; leur encombrement important et leur prix élevé ne permet pas à ce jour leur intégration dans une turbine à gaz.
Dans la demande antérieure FR-A1-3 057 053, la Demanderesse a proposé une solution à ce problème afin d'allumer un mélange d'air et de carburant dans une turbine à gaz de manière plus fiable et avec des moyens présentant une durée de vie plus longue que les moyens décrits en introduction, tout en étant de coût réduit et simples d'utilisation et d'installation. Ce but est atteint au moyen d’un injecteur comprenant :
- un pulvérisateur configuré pour pulvériser un mélange d'air et de carburant,
- une sortie destinée à alimenter la chambre de combustion avec le mélange d'air et de carburant pulvérisé, et
- un élément incandescent configuré pour enflammer le mélange d'air et de carburant en amont de la sortie.
L'élément incandescent est disposé dans une zone relativement froide car relativement éloignée de la chambre de combustion. Il est donc soumis à des conditions thermiques moins sévères que s'il était positionné à l'intérieur de la chambre de combustion. Par conséquent, sa durée de vie s'en trouve considérablement allongée.
La présente invention propose un perfectionnement à cet injecteur de façon notamment à faciliter sa fabrication et améliorer encore sa durée de vie.
L’invention propose un injecteur de carburant pour une turbine à gaz comprenant une chambre de combustion, l'injecteur comprenant :
- un pulvérisateur configuré pour pulvériser un mélange d'air et de carburant,
- une buse comportant une sortie destinée à alimenter la chambre de combustion avec le mélange d'air et de carburant pulvérisé,
- au moins un élément incandescent configuré pour enflammer le mélange d'air et de carburant en amont de la sortie,
caractérisé en ce que ledit au moins un élément incandescent est réalisé simultanément avec la buse de façon à être intégré dans la buse.
L'élément incandescent est ainsi intégré dans l'injecteur, ce qui permet de réduire le nombre de composants de l’injecteur et donc sa complexité.
L'élément incandescent comprend par exemple un fil conducteur électrique incandescent. L'alimentation en énergie d'un tel élément incandescent est simple et ne requiert pas de tension élevée pour enflammer le mélange d'air et de carburant.
L'injecteur peut en outre comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison lorsque cela est techniquement possible :
- l'élément incandescent s'étend de sorte à entourer et être en regard d'une section du mélange d'air et de carburant pulvérisé, de sorte à enflammer le mélange en la section,
- l'injecteur comprend un corps d'injecteur définissant un conduit dans lequel le pulvérisateur est agencé, le corps d'injecteur présentant par ailleurs au moins une gorge et/ou au moins une canalisation interne,
- l'injecteur comprend un conducteur électrique s'étendant dans la gorge et/ou dans la canalisation interne, le conducteur électrique étant configure pour fournir à l'élément incandescent de l'énergie électrique fournie par une source électrique.
Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé une turbine à gaz comprenant :
- au moins un injecteur de carburant conforme au premier aspect de l'invention,
- une chambre de combustion, et
- des moyens de mise en communication fluidique entre la sortie de l'injecteur et la chambre de combustion.
Les moyens de mise en communication fluidique peuvent comprendre une paroi dans laquelle un passage est ménagé, la paroi présentant une surface aval formant un fond de la chambre de combustion et dans laquelle débouche le passage. L'élément incandescent peut être au moins en partie agencé dans le passage.
Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un moteur comprenant :
- une turbine à gaz conforme au deuxième aspect de l'invention,
- une source d'alimentation électrique configurée pour alimenter en énergie électrique l'élément incandescent, de sorte à enflammer le mélange d'air et de carburant.
Selon un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d’un injecteur tel que décrit ci-dessus, dans lequel ladite buse et ledit au moins un élément chauffant sont fabriqués simultanément par fabrication additive.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
Description détaillée de l'invention
Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
En référence à la figure 1, une turbine à gaz pour aéronef comprend au moins un injecteur 1 de carburant et une chambre de combustion 2.
L'injecteur 1 assure deux fonctions : premièrement, l'alimentation en carburant de la chambre de combustion (par exemple durant la phase de démarrage seule de la turbine ou durant tout le fonctionnement de celle-ci), et, deuxièmement, l'allumage d'un mélange air/carburant. L'injecteur 1 comprend une entrée de carburant 3 et une sortie d'air/carburant 4.
La chambre de combustion 2 comprend par ailleurs une entrée d'air/ carburant 5. La chambre de combustion comprend par ailleurs des moyens 6 de mise en communication fluidique de la sortie d'air/carburant 4 de l'injecteur 1 avec l'entrée d'air/carburant 5 de la chambre de combustion 2. La chambre de combustion comprend une paroi de fond 8 présentant deux surfaces opposées : une surface amont 10 et une surface aval 12, la surface aval définissant un fond de la chambre de combustion 2.
Dans le présent texte, les termes « amont » et « aval » se réfèrent au sens de circulation du carburant dans la turbine à gaz. Par exemple, les moyens de mise en communication fluidique comprennent ou sont formés par un passage 14 ménagé dans la paroi de fond 8. L'entrée d'air/carburant 5 de la chambre de combustion 2 est alors l'orifice ménagé dans la surface aval dans lequel débouche le passage 14. Ainsi, la paroi de fond 8 est la paroi par laquelle du carburant peut pénétrer dans la chambre de combustion 2.
En référence à la figure 2, l'injecteur 1 comprend un pulvérisateur 16, l'entrée de carburant 3, la sortie d'air/carburant 4 et un élément incandescent 18.
L'injecteur 1 comprend un corps d'injecteur 6. Le corps d'injecteur 6 comprend une paroi annulaire définissant un conduit C le long d'un axe X. L'entrée de carburant 3 est destinée à être mise en communication fluidique avec une source de carburant (non illustrée). Le pulvérisateur 16 est agencé dans le conduit C. Le pulvérisateur 16 est configuré pour pulvériser un mélange M d'air et de carburant émanant de l'entrée de carburant 3 suivant une direction X, vers la sortie d'air/carburant 4. Le pulvérisateur 16 comprend en particulier un orifice 9 adapté pour générer des gouttelettes de carburant, de sorte à former le mélange M d'air et de carburant dans le conduit C.
Le pulvérisateur 16 est configuré pour que le mélange M d'air et de carburant pulvérisé soit divergent. Le mélange M forme par exemple un flux conique autour de l'axe X, le cône s'évasant d'amont vers l'aval, c'est-à-dire étant de section croissante depuis l'orifice 9 du pulvérisateur 16 vers la sortie d'air/carburant 4. La sortie d'air/carburant 4 est agencée en regard du pulvérisateur 16, de sorte à recevoir le mélange M d'air et de carburant pulvérisé par le pulvérisateur 16. Comme indiqué précédemment, la sortie d'air/carburant 4 de l'injecteur 1 est destinée à être mise en communication fluidique avec la chambre de combustion de sorte à alimenter la chambre de combustion en carburant. La sortie d'air/carburant 4 est formée par un orifice circulaire ménagé dans le corps d'injecteur 6. Le corps d'injecteur 6 présente une portion d'extrémité aval insérée dans le passage 14 ménagé dans la paroi 8. L'orifice formant la sortie d'air/carburant 4 demeure cependant en amont de la surface aval 12 de la paroi de fond, donc en amont de la chambre de combustion 2.
L'injecteur 1 comprend par ailleurs un élément incandescent 18. L'élément incandescent 18 est configuré pour enflammer le mélange M d'air et de carburant en amont de la sortie d'air/carburant 4. L'injecteur comprend un fil conducteur 19 destiné à être raccordé à un réseau électrique R, le réseau électrique R comprenant une source d'alimentation électrique 20 et un interrupteur 22. Le fil conducteur 19 présentant une portion à forte résistivité, et au moins deux portions 24 à plus faible résistivité que la première portion. La différence de résistivité peut être réalisée par exemple en utilisant des matériaux différents, ou une section différente, ou encore une combinaison des deux.
La portion à forte résistivité forme l'élément incandescent 18. En d'autres termes, l'élément incandescent 18 est constitué d'une portion de fil de conducteur à forte résistivité permettant de dissiper par effet Joule une puissance de l'ordre de la centaine de Watts (variable selon les applications). Les deux portions à faible résistivité 24 sont adaptées pour relier électriquement l'élément incandescent 18 au réseau électrique R, par exemple à l'aide d'un connecteur. Les portions à faible résistivité 24 et l'élément incandescent 18 cheminent dans le corps 6 de l'injecteur 1 et sont idéalement intégrées au corps 6 lors de la fabrication de ce corps, de préférence par fabrication additive.
L'interrupteur 22 est monté en série avec la source d'alimentation électrique 20 et le fil conducteur (et donc avec l'élément incandescent 18). L'interrupteur 22 est configuré pour contrôler (débuter et interrompre) la fourniture d'énergie électrique par la source 20 à l'élément incandescent 18. Le réseau électrique R est par exemple le réseau R de bord de l'aéronef dans lequel la turbine à gaz est embarquée. En variante, le réseau électrique R est un réseau propre au moteur de l'aéronef, servant non seulement à alimenter en énergie électrique l'élément incandescent, mais également d'autres composants du moteur. Dans une autre variante, le réseau électrique R est un réseau propre à l'injecteur 1 (auquel cas la source électrique 20 et/ou l'interrupteur 22 peut aussi être intégrée à l'injecteur 1). Pour alimenter en énergie l'élément incandescent 18 via le fil conducteur 19, peuvent être utilisés les mêmes types de câbles et connecteurs que ceux utilisés pour transporter d'autres signaux électriques au sein de l'aéronef, au sein du moteur ou au sein de l'injecteur 1, et ainsi être incorporés dans les mêmes harnais. En conséquence, sont réduit le coût global de la connectique du moteur, le nombre de faisceaux autour du moteur, la masse du moteur, et l'encombrement du moteur. En outre, la maintenance s'en trouve facilitée. Compte-tenu de la nature essentiellement résistive de l'élément incandescent 18, une alimentation continue (régulée ou non, en tension ou en courant) ou alternative pourra être utilisée. De préférence, lorsque le carburant est du kérosène, l'élément incandescent 18 est adapté pour amener le mélange M d'air et de kérosène à une température supérieure à 220°C lorsqu'il est alimenté en énergie. Ceci permet d'allumer le mélange M d'air et de kérosène, dont la température d'auto-inflammation est d'environ 220°C.
En outre, compte-tenu des niveaux de tension et de courant en jeu, des câbles de type identique à ceux utilisés par les autres signaux électriques à transmettre au sein de l'aéronef peuvent être utilisés pour transmettre l'énergie électrique depuis la source à l'élément incandescent 18. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, l'injecteur 1 est un injecteur à double circuit carburant. Le premier circuit carburant, dit de démarrage, éjecte du carburant via l'orifice 9 du pulvérisateur 16 comme décrit précédemment. L'élément incandescent 18 permet d'enflammer le mélange air/carburant issu de ce circuit de démarrage. Un second circuit carburant, dit principal (non-illustré), permet d'alimenter en continu la chambre de combustion. Ce circuit dans le cas de la figure 1 comprend un canal carburant cheminant au sein du corps d’injecteur 6 et venant créer un film de carburant. Ce film de carburant est alors atomisé par les écoulements d'air générés par des vrilles 26, 27 (vrilles internes 26 et vrilles externes 27). L'élément incandescent 18 s'étend de préférence à 360 degrés autour du mélange M d'air de de carburant, de sorte à favoriser l'allumage du mélange M.
Dans l’exemple représenté, l’élément 18 est intégré à la sortie de la buse qui s’étend en aval des vrilles 26, et radialement à l’intérieur des vrilles 27.
L'injecteur 1 de la turbine à gaz fonctionne de la manière suivante. Le pulvérisateur 16 est alimenté en carburant via l'entrée de carburant 3. Le pulvérisateur 16 expulse, via l'orifice 9, des gouttelettes de carburant de sorte à former le mélange M d'air et de carburant de forme conique, lequel se propage dans le conduit C. Par ailleurs, lorsque la source d'énergie électrique 20 est allumée et que l'interrupteur est fermé 22, l'élément incandescent 18 chauffe par effet Joule. En revanche, les portions du fil conducteur 19 à plus faible résistivité ne chauffent que peu et ne sont par conséquent pas incandescentes. Le mélange M d'air et de carburant pulvérisé par le pulvérisateur 16 passe à proximité de l'élément incandescent 18 avant d'atteindre la sortie d'air/carburant 4 de l'injecteur 1, si bien que le mélange M s'enflamme avant d'atteindre la surface aval formant le fond de la chambre de combustion. Est ainsi généré un noyau d'allumage dans l'injecteur 1. Le noyau d'allumage (le mélange M enflammé) sort de l'injecteur 1 par la sortie d'air/carburant 4, traverse le passage formé dans la paroi jusqu'à atteindre l'entrée d'air/carburant ménagée dans la surface aval de la paroi. Le noyau d'allumage (mélange M enflammé) pénètre dans la chambre en vue de sa combustion dans celle-ci.
Un deuxième mode de réalisation d'injecteur 1' est illustré en figure 3. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'injecteur 1' est un injecteur à simple circuit carburant. L'injecteur 1' ne comprend pas de vrilles. Par ailleurs, le pulvérisateur 16 est directement en regard de la surface amont 10 de la paroi de fond 8. Dans ce mode de réalisation, la sortie d'air/carburant 4 est définie par un orifice ménagé dans la surface amont de la paroi 8. Le passage 14 s'étend dans la paroi 8 depuis l'orifice 4 jusqu'à l'entrée 5. Le passage 14 présente par ailleurs un profil évasé depuis la sortie 4 vers l'entrée 5.
Une telle forme est adaptée au caractère divergent (par exemple de forme conique) du mélange M d'air et de carburant pulvérisé par le pulvérisateur 16. Le fil conducteur 19 est fixé sur la surface interne du corps d'injecteur 6, par exemple par brasage. Les portions 24 à faible résistivité sont avantageusement intégrées dans le corps d’injecteur 6 et dans la paroi de fond 8.
Par ailleurs, l'élément incandescent 18 (formé par la portion à plus forte résistivité du fil conducteur 19) est intégré dans la paroi 8, autour de la sortie d'air/carburant 4. La paroi 8 forme ici la buse 11 de l’injecteur 1’. De préférence, la distance entre l'élément incandescent 18 et le bord de la sortie air/carburant 4 est inférieure à 5 millimètres.
De façon préférée, l’élément incandescent 18 et la buse 11 sont réalisés simultanément par fabrication additive. Cette fabrication peut être réalisée par fusion couche par couche de poudres au sein d’un lit de poudres. En variante, elle pourrait être réalisée par fusion de matériaux en bobines, les gouttes des matériaux en fusion étant déposées les unes après les autres sur un support de fabrication additive.
Claims (9)
- Injecteur (1, 1') de carburant pour une turbine à gaz comprenant une chambre de combustion (2), l'injecteur (1, 1') comprenant :
- un pulvérisateur (16) configuré pour pulvériser un mélange (M) d'air et de carburant,
- une buse (11) comportant une sortie (4) destinée à alimenter la chambre de combustion avec le mélange (M) d'air et de carburant pulvérisé,
- au moins un élément incandescent (18) configuré pour enflammer le mélange (M) d'air et de carburant en amont de la sortie (4),
caractérisé en ce que ledit au moins un élément incandescent est réalisé simultanément avec la buse de façon à être intégré dans la buse. - Injecteur (1, 1') selon la revendication précédente, dans lequel l'élément incandescent (16) comprend un fil conducteur (19) électrique incandescent.
- Injecteur (1, 1') selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément incandescent (18) s'étend de sorte à entourer et être en regard d'une section du mélange (M) d'air et de carburant pulvérisé, de sorte à enflammer le mélange en la section.
- Injecteur (1, 1') selon l'une des revendications précédentes, comprenant
- un corps d'injecteur (20) définissant un conduit (C) dans lequel le pulvérisateur (16) est agencé, le corps d'injecteur (20) présentant par ailleurs au moins une gorge et/ou au moins une canalisation interne,
- un conducteur électrique (24) s'étendant dans la gorge et/ou dans la canalisation interne, le conducteur électrique (24) étant configuré pour fournir à l'élément incandescent (18) de l'énergie électrique fournie par une source électrique. - Turbine à gaz comprenant :
- au moins un injecteur (1, 1') de carburant selon l'une des revendications précédentes,
- une chambre de combustion (2), et
- des moyens (6) de mise en communication fluidique entre la sortie (4) de l'injecteur (1, 1') et la chambre de combustion (2). - Turbine à gaz selon la revendication précédente, dans lequel les moyens (6) de mise en communication fluidique comprennent une paroi (8) dans laquelle un passage (14) est ménagé, la paroi présentant une surface aval (12) formant un fond de la chambre de combustion (2) et dans laquelle débouche le passage (14).
- Turbine à gaz selon la revendication précédente, dans lequel l'élément incandescent 10 (18) est au moins en partie agencé dans le passage (14).
- Moteur comprenant :
- une turbine à gaz selon les revendications 5 à 7,
- une source d'alimentation électrique (20) configurée pour alimenter en énergie électrique l'élément incandescent, de sorte à enflammer le mélange (M) d'air et de carburant. - Procédé de fabrication d’un injecteur selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite buse (11) et ledit au moins un élément chauffant (18) sont fabriqués simultanément par fabrication additive.
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2019
- 2019-04-11 FR FR1903868A patent/FR3095006B1/fr active Active
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