FR3103522A1 - Dispositif d’injection de carburant - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif d’injection de carburant d’une chambre de combustion d’un moteur à turbine à gaz. Le dispositif comprend un premier et un second (204) clapets contrôlant l’admission de carburant respectivement vers un circuit primaire et vers un circuit secondaire et est caractérisé en ce que l’ouverture du second clapet est contrôlée par un système électromagnétique (301) piloté électriquement. Figure pour l'abrégé : Figure 3
Description
Domaine technique de l'invention
L’invention est relative au domaine des chambres à combustion de moteurs à turbine à gaz. Elle se rapporte, en particulier, à un dispositif d’injection de carburant d’une telle chambre à combustion.
Arrière-plan technique
Dans un moteur à turbine à gaz, le rôle d’un injecteur est de fournir à la chambre de combustion du moteur un débit de carburant adapté aux différents régimes de fonctionnement dudit moteur. En particulier, le débit en carburant requis pour le fonctionnement du moteur varie selon que celui-ci est dans une phase de démarrage, de fonctionnement à faible puissance, de fonctionnement à forte puissance ou de fonctionnement à pleine puissance.
En outre, il est nécessaire de pouvoir allumer une chambre de combustion, dans des conditions aérodynamiques et thermodynamiques variées (par exemple à différentes températures) via le claquage (i.e. la production d’étincelles) d’une ou de plusieurs bougies puis la propagation d’un noyau de gaz chaud depuis la zone où sont situées les bougies vers les différents secteurs de la chambre.
Lors de l’allumage de la chambre, comme par exemple lors de séquences de redémarrage en vol, le moteur fonctionne avec un faible débit carburant. La quantité injectée et brûlée de carburant est réduite au minimum pour limiter l’échauffement de la turbine.
Il est connu que la qualité et la forme du spray de carburant issu de l’injecteur (le carburant est pulvérisé par l’injecteur dans la chambre) dans la phase d’allumage jouent un rôle déterminant sur l’allumage de la chambre et les performances de la turbine. C’est pourquoi les injecteurs actuels s’appuient souvent sur un mode de fonctionnement dit à deux étages dans lequel le carburant ne circule d’abord que dans un circuit, dit circuit primaire, lorsque la pression d’alimentation est inférieure à une valeur seuil puis circule en plus dans un second circuit, dit circuit secondaire, lorsque la pression d’alimentation dépasse cette valeur seuil. Un tel système permet notamment de mieux maîtriser l’évolution du débit en fonction de la pression d’alimentation et, par conséquent, les caractéristiques du spray en sortie d’injecteur quelle que soit la pression d’alimentation.
Plus précisément, classiquement, un injecteur de ce type comporte, d’une part, un premier clapet anti-retour (en anglais «check valve») qui contrôle l’admission de carburant dans le circuit primaire et qui utilise un ressort avec une force de rappel déterminée adaptée pour qu’il s’ouvre pour une première pression d’alimentation (une différence de pression entre l’amont et l’aval) et, d’autre part, un second clapet dit de dosage, qui contrôle l’admission et le réglage du débit de carburant dans le circuit secondaire, et qui utilise un ressort avec une autre force de rappel déterminée adaptée pour qu’il s’ouvre pour une seconde pression d’alimentation. Le second clapet de dosage est situé dans le circuit primaire et ne s’ouvre que pour une pression d’alimentation plus élevée que celle requise pour ouvrir le premier clapet.
Le débit de carburant en sortie d’injecteur dépend ensuite des sections de passage des différentes portions des deux circuits. Finalement, pour un tel injecteur, l’évolution du débit en sortie d’injecteur en fonction de la pression d’alimentation présente sensiblement deux pentes, une première pente lorsque le carburant ne circule que dans le circuit primaire et une seconde pente lorsque le carburant circule dans les deux circuits suite à l’ouverture des deux clapets. La première pente correspond, par exemple, à une l’utilisation lors de phases d’allumage et d’enroulement du moteur (i.e. une propagation de la flamme aux secteurs voisins de la chambre) et la seconde pente correspond, par exemple, à une utilisation lors de phases de décollage et de vol de croisière de l’aéronef équipé du moteur à turbine à gaz.
Les figures 1a et 1b représentent respectivement un injecteur selon l’art antérieur et un zoom sur le système de dosage de cet injecteur, c’est-à-dire la portion de l’injecteur dans laquelle sont situés les deux clapets qui permettent l’admission respectivement vers le circuit primaire et vers le circuit secondaire. En particulier, la figure 1b correspond à un mode de réalisation d’un système de dosage tel qu’il est décrit dans le brevet FR2911665B1.
L’injecteur 101 comprend un circuit primaire 102 et un circuit secondaire 103 pour lesquels l’admission de carburant se fait respectivement par un premier clapet anti-retour 104 et un second clapet anti-retour 105. L’injecteur 101 fonctionne selon un mode de fonctionnement à deux étages tel que décrit plus haut.
Le carburant arrive par le conduit d’amission 106 jusqu’à un diaphragme 107 qui permet de contrôler la section d’ouverture du conduit et au premier clapet 104. Le clapet 104 est maintenu fermé par un ressort 108 qui exerce une force de rappel suffisante pour le maintenir fermé tant que la différence de pression entre son amont et son aval est inférieure à une valeur déterminée. Dès que cette différence de pression dépasse la valeur seuil en question, le carburant circule dans la zone intermédiaire 109 puis par le circuit primaire 102 jusqu’à la tête d’injection 110 à partir de laquelle il est pulvérisé dans une chambre de combustion (non représentée).
Le clapet doseur 105 est situé dans cette zone intermédiaire 109 et maintenu fermé par un ressort 111 qui exerce une force de rappel significativement plus importante que celle du ressort 108. De cette manière l’admission vers le circuit secondaire ne se fait pas, en principe, pour des phases où la pression est faible telles que l’allumage de la chambre de combustion par exemple. Le débit en sortie de l’injecteur ne reste dans ce cas lié qu’au circuit primaire.
Les deux circuits comprennent, au niveau de la tête de l’injecteur 110, des systèmes de type vrille carburant ou tout autre type d’organe de pulvérisation 112 et 113 qui influent sur les caractéristiques du spray pulvérisé par l’injecteur après passage par le trou d’émission 114.
Un inconvénient important d’un tel dispositif est lié au fait que, même si le second clapet (et son ressort de rappel) est calibré pour ne s’ouvrir que pour une condition prédéterminée liée à une différence de pression donnée, celui-ci peut tout de même s’ouvrir en dehors de cette condition en fonction de conditions environnementales comme, par exemple, la température environnante ou une température de carburant. Par conséquent, le débit de l’injecteur peut être modifié de manière non désirée. Par exemple, le second clapet peut s’ouvrir lors d’une phase d’allumage et détériorer les performances de combustion et entraîner un risque de surchauffe de la turbine.
La présente invention propose une solution permettant de contrôler l’admission de carburant dans le circuit secondaire, de manière active et indépendamment de conditions environnementales influant sur le carburant dans l’injecteur.
À cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif d’injection de carburant comprenant un premier clapet mobile entre une position d’ouverture dans laquelle ledit premier clapet est configuré pour permettre l’admission de carburant dans un circuit primaire et une position de fermeture dans laquelle ledit premier clapet est configuré pour empêcher l’admission de carburant dans le circuit primaire et un second clapet mobile entre une position d’ouverture dans laquelle ledit second clapet est configuré pour permettre l’admission et le réglage du débit de carburant dans un circuit secondaire et une position de fermeture dans laquelle ledit second clapet est configuré pour empêcher l’admission de carburant dans le circuit secondaire, ledit second clapet étant situé dans le circuit primaire, ledit dispositif d’injection de carburant étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre un système électromagnétique de contrôle de l’ouverture du second clapet, ledit système électromagnétique comprenant une bobine configurée pour générer un champ magnétique déterminé en réponse à une commande électrique déterminée et des moyens de dosage configurés pour modifier l’ouverture du second clapet en fonction du champ magnétique généré.
Le dispositif 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:
- les moyens de dosage comprennent des moyens de rappel configurés pour exercer une force de rappel adaptée pour maintenir le second clapet en position de fermeture et des moyens d’entraînement, solidaires dudit second clapet, et configurés pour générer une force d’ouverture, en fonction d’un champ magnétique, adaptée pour permettre l’ouverture et le positionnement dudit second clapet.
- les moyens d’entraînement sont réalisés dans un matériau ferromagnétique de type aimant permanent ou acier doux.
- le système électromagnétique comprend en outre un noyau métallique, disposé autour de la bobine.
- la bobine est immergée dans le carburant contenu dans le circuit primaire.
- le dispositif d’injection de carburant comprend en outre au moins une seconde bobine configurée pour générer un champ magnétique déterminé en réponse à une commande électrique déterminée et adapté pour modifier l’ouverture et le positionnement du second clapet, par l’intermédiaire des moyens de dosage.
- le dispositif d’injection de carburant comprend au moins un autre circuit adapté pour transporter du carburant jusqu’à une tête d’injection dudit dispositif d’injection de carburant.
L’invention concerne également, selon un deuxième aspect, une chambre de combustion d’un moteur à turbine à gaz comprenant au moins un dispositif d’injection de carburant selon le premier aspect.
L’invention concerne également, selon un troisième aspect, un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion selon le deuxième aspect.
L’invention concerne enfin, selon un quatrième aspect, un procédé d’utilisation d’un dispositif d’injection de carburant selon le premier aspect comprenant les étapes suivantes :
- admission, par le premier clapet, dans le circuit primaire, de carburant mis sous pression à une valeur de pression déterminée adaptée pour provoquer l’ouverture dudit premier clapet ; et,
- commande du système électromagnétique du second clapet de manière à modifier l’ouverture dudit second clapet.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels:
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l'invention
En référence à la figure 2 et à la figure 3 nous allons maintenant décrire un mode de réalisation d’un dispositif d’injection de carburant selon l’invention. Un tel dispositif d’injection peut être, par exemple, un dispositif d’injection d’une chambre de combustion d’un moteur à turbine à gaz d’un aéronef.
Le dispositif d’injection de carburant 201 comprend un premier clapet 202 et un second clapet 204. Le premier clapet est un clapet anti-retour tel qu’il est utilisé, par exemple, dans un dispositif d’injection selon l’art antérieur. Les deux clapets sont mobiles entre, d’une part, une position d’ouverture qui permet l’admission de fermeture carburant dans un circuit situé en aval du clapet et, d’autre part, une position de qui empêche l’admission de carburant dans ce même circuit.
En particulier, le premier clapet permet ou empêche l’admission de carburant dans le circuit primaire 203 alors que le second clapet permet ou empêche l’admission de carburant dans le circuit secondaire 205. Le second clapet est situé dans le circuit primaire, en série avec le premier clapet, selon un mode de fonctionnement à deux étages.
Dans l’exemple non-limitatif représenté à la figure 2, le dispositif d’injection 201 comprend aussi, dans un conduit d’arrivée du carburant 212, un filtre 206 permettant de retenir des particules éventuelles et un diaphragme 207 permettant de contrôler le débit de carburant en fonction de son ouverture. De plus, des vrilles carburant ou tout autre type d’organes de pulvérisation 208 et 209 sont situés au niveau des sorties 210 et 211 des circuits secondaire et primaire de manière à générer un écoulement tournant. Les sorties des deux circuits sont elles mêmes situées au niveau de la tête du dispositif d’injection (non représentée) qui permet de pulvériser le carburant, par exemple, dans une chambre de combustion.
L’homme du métier appréciera que le nombre de circuit compris dans le dispositif d’injection qui permettent de transporter du carburant depuis un clapet d’admission jusqu’à la tête qui permet de pulvériser le carburant n’est pas nécessairement limité à deux et peut être supérieur ou égal à cette valeur.
La figure 3 représente plus en détail un système électromagnétique de contrôle 301 de l’ouverture du second clapet 204 du dispositif d’injection de carburant selon l’invention.
Le système électromagnétique de contrôle 301 comprend une bobine 302 (aussi appelé bobinage) qui permet de générer un champ magnétique déterminé en réponse à une commande électrique déterminée. Dit autrement, l’intensité du champ magnétique généré par la bobine 302 est variable en fonction de la commande électrique reçue par ladite bobine.
Le système électromagnétique comprend aussi des moyens de dosage 303 et 304 qui permettent de modifier l’ouverture du second clapet 204 en fonction du champ magnétique généré par la bobine. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 3, les moyens de dosage en question se composent de moyens de rappel 304 et de moyens d’entraînement 303.
Plus précisément, le ressort 304 est configuré pour exercer une force de rappel adaptée pour maintenir le second clapet en position de fermeture et le dispositif en matériau ferromagnétique 303 est solidaire du second clapet 204, et configuré pour générer une force d’ouverture, qui dépend du champ magnétique généré par la bobine et qui permet, le cas échéant, d’ouvrir le second clapet. L’ensemble formé par le ressort et les moyens d’entraînement permet de contrôler l’ouverture du second clapet avec précision. En outre, la bobine impose un effort au clapet alors que le ressort impose un contre-effort et la balance de ces deux efforts détermine le positionnement exact du clapet.
Les moyens d’entraînement peuvent être réalisés dans un matériau ferromagnétique de type aimant permanent ou acier doux de manière à être soumis à une force qui est fonction de l’intensité du champ magnétique généré à proximité desdits moyens d’entraînement. En outre, comme l’illustre la figure 3, le système électromagnétique 301 peut comprendre, dans un mode de réalisation particulier, un noyau métallique 305, disposé autour de la bobine. Ce noyau métallique concentre les lignes de champ du champ magnétique généré par la bobine et optimise ainsi le rendement du dispositif (i.e. l’efficacité de conversion d’une commande électrique en une force d’ouverture du second clapet).
Outre le fait que certaines technologies de bobines peuvent supporter des températures élevées de l’ordre de 150°C, la bobine peut, dans un mode de réalisation particulier, être immergée dans le carburant contenu dans le circuit primaire de manière à la protéger plus efficacement d’un environnement thermique potentiellement extrême.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif d’injection de carburant peut comprendre plusieurs bobines qui sont toutes configurées pour générer un champ magnétique qui permet de modifier l’ouverture du second clapet. Avantageusement, une bobine peut ainsi se substituer à une autre bobine défaillante en cas de panne pour conserver la possibilité de contrôler l’ouverture du second clapet.
Avantageusement, l’invention permet de contrôler l’admission dans le circuit secondaire indépendamment de celle du circuit primaire. Dit autrement, le fait que le carburant circule dans le circuit secondaire en plus du circuit primaire ne se fait pas, de manière passive, en fonction de conditions environnementales telles que la pression et la température mais est plutôt déclenché, de manière active, en fonctions de conditions choisies par un opérateur. L’ouverture du second clapet est ainsi plus précise et insensible aux conditions environnementales.
En outre, avantageusement, grâce à un meilleur contrôle du débit de carburant circulant dans le dispositif d’injection, les propriétés de pulvérisation dudit dispositif d’injection en sortie sont améliorées, notamment en termes d’atomisation et de granulométrie. Par ailleurs, dans le cas d’une utilisation d’un tel dispositif pour une chambre de combustion d’un moteur à turbine à gaz, les capacités de la chambre de combustion lors de son allumage sont aussi améliorées.
En référence à la figure 4, nous allons maintenant décrire un exemple de mode de mise en œuvre d’un procédé d’utilisation d’un dispositif d’injection de carburant tel que celui décrit en référence aux figures 2 et 3.
L’étape 401 consiste en l’admission, par le premier clapet, dans le circuit primaire, de carburant mis sous pression à une valeur de pression déterminée adaptée pour provoquer l’ouverture du premier clapet. Cette étape correspond à l’utilisation d’un clapet anti-retour usuel dans un dispositif d’injection de carburant à deux étages.
L’étape 402 consiste, quant à elle, en la commande du système électromagnétique du second clapet de manière à modifier l’ouverture dudit second clapet. En particulier, la bobine du système reçoit une commande électrique qui entraîne l’émission d’un champ magnétique qui entraîne à son tour la création d’une force qui ouvre le clapet. L’homme du métier appréciera que la commande électrique reçue par la bobine peut être émise par une unité de commande de type calculateur et, par exemple, se baser sur des critères de déclenchement préétablis par un opérateur et modifiables le cas échéant.
Claims (10)
- Dispositif d’injection de carburant (201) comprenant un premier clapet (202) mobile entre une position d’ouverture dans laquelle ledit premier clapet (202) est configuré pour permettre l’admission de carburant dans un circuit primaire (203) et une position de fermeture dans laquelle ledit premier clapet (202) est configuré pour empêcher l’admission de carburant dans le circuit primaire (203) et un second clapet (204) mobile entre une position d’ouverture dans laquelle ledit second clapet (204) est configuré pour permettre l’admission et le réglage du débit de carburant dans un circuit secondaire (205) et une position de fermeture dans laquelle ledit second clapet (204) est configuré pour empêcher l’admission de carburant dans le circuit secondaire (205), ledit second clapet étant situé dans le circuit primaire, ledit dispositif d’injection de carburant étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre un système électromagnétique de contrôle (301) de l’ouverture du second clapet, ledit système électromagnétique comprenant une bobine (302) configurée pour générer un champ magnétique déterminé en réponse à une commande électrique déterminée et des moyens de dosage (303, 304) configurés pour modifier l’ouverture du second clapet en fonction du champ magnétique généré.
- Dispositif d’injection de carburant selon la revendication 1, dans lequel les moyens de dosage comprennent des moyens de rappel (304) configurés pour exercer une force de rappel adaptée pour maintenir le second clapet en position de fermeture et des moyens d’entraînement (303), solidaires dudit second clapet (204), et configurés pour générer une force d’ouverture, en fonction d’un champ magnétique, adaptée pour permettre l’ouverture et le positionnement dudit second clapet.
- Dispositif d’injection de carburant selon la revendication 2, dans lequel les moyens d’entraînement sont réalisés dans un matériau ferromagnétique de type aimant permanent ou acier doux.
- Dispositif d’injection de carburant selon la revendication 3, dans lequel le système électromagnétique comprend en outre un noyau métallique (305), disposé autour de la bobine.
- Dispositif d’injection de carburant selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la bobine est immergée dans le carburant contenu dans le circuit primaire.
- Dispositif d’injection de carburant selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre au moins une seconde bobine configurée pour générer un champ magnétique déterminé en réponse à une commande électrique déterminée et adapté pour modifier l’ouverture et le positionnement du second clapet, par l’intermédiaire des moyens de dosage.
- Dispositif d’injection de carburant selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre au moins un autre circuit adapté pour transporter du carburant jusqu’à une tête d’injection dudit dispositif d’injection de carburant.
- Chambre de combustion d’un moteur à turbine à gaz comprenant au moins un dispositif d’injection de carburant selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
- Moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion selon la revendication 8.
- Procédé d’utilisation d’un dispositif d’injection de carburant selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant les étapes suivantes:
- admission (401), par le premier clapet, dans le circuit primaire, de carburant mis sous pression à une valeur de pression déterminée adaptée pour provoquer l’ouverture dudit premier clapet; et,
- commande (402) du système électromagnétique du second clapet de manière à modifier l’ouverture dudit second clapet.
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- 2019-11-25 FR FR1913164A patent/FR3103522B1/fr active Active
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| FR3103522B1 (fr) | 2022-11-04 |
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