FR3103540A1 - Système d'injection de carburant d'une turbomachine, chambre de combustion comprenant un tel système et turbomachine associée - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système d’injection d’air et de carburant d’une turbomachine comprenant : - un injecteur (22) comprenant une canalisation (23) et un nez d’injection (24) disposé à l’intérieur de ladite canalisation (23) qui s’étend d’amont en aval selon un axe longitudinal (AA’) ; - un dispositif mélangeur (25) comprenant un bol (27) comprenant une entrée (30) annulaire, formant entrée du dispositif mélangeur, à partir de laquelle s’étend une partie conique (33) évasée vers l’aval, ledit dispositif mélangeur étant disposé en aval du nez d’injection (24) ; le système d’injection étant caractérisé en ce que l’injecteur (22) comprend une couronne (26) d’injection d’air s’étendant depuis canalisation (23) et à partir de laquelle s’étend une bague de (28) de connexion comprenant une partie divergente (282), ladite bague est disposée extérieurement autour de l’entrée (30) annulaire du dispositif mélangeur. Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L’invention concerne les systèmes d’injection d’air et de carburant équipant les chambres annulaires de combustion des turbomachines notamment celles d’aéronef.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Lafigure 1illustre un système d’injection 1 d’air et de carburant de type connu comprenant un injecteur de carburant 2 et un dispositif mélangeur 3 équipant une paroi de fond d’une chambre de combustion (non représentée sur la figure 1).
De manière plus précise, le dispositif mélangeur 3 comprend de l’amont vers l’aval selon une direction générale 4 d’écoulement du carburant, un organe de centrage 5 d’une tête 12 de l’injecteur 2, une couronne d’admission d’air 7 et une paroi conique 8 qui est évasée vers l’aval appelée bol dans ce qui suit. Le bol 8 est destiné à guider en sortie du système d’injection 1 un mélange d’air et de carburant destiné à s’enflammer dans la zone primaire de la chambre de combustion. L’organe de centrage 5 (ou traversée coulissante) est constitué d’une pièce annulaire évasée vers l’amont afin de faciliter l’introduction de la tête d’injection au cours de son montage. La couronne d’admission d’air 7 comporte des ailettes (non représentées) pour imprimer à l’air passant dans cette couronne un mouvement de giration autour d’un axe longitudinal AA’ du dispositif mélangeur 3. Cette couronne comprend une vrille primaire 71 et une vrille secondaire 72. En outre,le dispositif mélangeur 3 est équipé d’un venturi 9 afin d’accélérer l’écoulement des fluides à son niveau.
Comme cela est visible sur la figure 1, la tête de l’injecteur 12 comprend un nez d’injection 13 par lequel le carburant est destiné à être amené. La tête 12 est insérée dans le dispositif mélangeur 3 via l’organe de centrage 5. De préférence, la tête 12 de l’injecteur est en contact avec la paroi annulaire interne 10 du dispositif mélangeur 3 selon une partie sphérique 11 qui permet d’avoir une liaison rotulante entre la paroi annulaire interne 10 et la tête 12.
Une telle liaison permet d’autoriser des mouvements de la tête 12 de l’injecteur au cours du fonctionnement de la turbomachine pour éviter d’endommager cette zone qui pourrait conduire à des pannes avec des conséquences négatives.
Ainsi, en fonctionnement on peut constater des déplacements relatifs entre l’injecteur et le dispositif mélangeur 3 ainsi que des défauts de fabrication. C’est-à-dire que la partie sphérique 11 de la tête de l’injecteur 12 peut se déplacer de l’amont ou l’aval (selon la direction générale 4).
De tels déplacements peuvent toutefois être problématiques:
- Si la tête 12 de l’injecteur est décalée vers l’aval alors selon les cas il est possible que la tête 12 vienne obstruer les vrilles primaire 71 et secondaire 72 et nuisant alors au volume d’air amené dans le dispositif mélangeur 3;
- Si la tête 12 de l’injecteur est décalée vers l’amont alors le spray de carburant issu de la tête 12 peut impacter le venturi 9 et le bol 8. En effet, le rôle de la tête 12 de l’injecteur est de générer un brouillard de fines gouttes, si ces gouttes viennent impacter le venturi 9 celles-ci vont ruisseler et se transformer en gouttes relativement plus grosses. De plus, l’angle de spray carburant ne doit pas être réduit par le venturi 9.
PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients.
A cet effet, l’invention propose, selon un premier aspect, un système d’injection d’air et de carburant d’une turbomachine comprenant:
- un injecteurcomprenant une canalisation et un nez d’injection disposé à l’intérieur de ladite canalisation qui s’étend d’amont en aval selon un axe longitudinal;
- un dispositif mélangeur comprenant un bol comprenant une entrée annulaire, formant entrée du dispositif mélangeur, à partir de laquelle s’étend une partie conique évasée vers l’aval, ledit dispositif mélangeur étant disposé en aval du nez d’injection;
le système d’injection étant caractérisé en ce que l’injecteur comprend une couronne d’injection d’air s’étendant depuis la canalisation et à partir de laquelle s’étend une bague de connexion comprenant une partie divergente, ladite bague étant disposée extérieurement autour de l’entrée annulaire du dispositif mélangeur.
L’invention, selon le premier aspect, est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible:
- la couronne d’injection d’air est disposée en aval de la canalisation;
- l’entrée du dispositif mélangeur est disposée en aval du nez d’injection;
- l’entrée du dispositif mélangeur comprend une surface externe prenant la forme d’une sphère tronquée, la bague de connexion de l’injecteur étant en contact avec l’entrée du dispositif mélangeur par l’intermédiaire de ladite sphère tronquée;
- l’injecteur comprend un venturi situé axialement au niveau de la tête d’injection;
- il comprend une première vrille disposée en amont du venturi et une deuxième vrille disposée en aval du venturi, lesdites première et deuxième vrilles comprenant des passages d’air;
- le nez d’injection, le venturi, la couronne d’injection d’air sont formés d’une seule pièce, de préférence obtenue par un procédé de fabrication additive.
Selon un second aspect, l’invention propose une chambre de combustion d’une turbomachine comprenant un système d’injection selon le premier aspect de l’invention.
Selon un troisième aspect, l’invention propose une turbomachine comprenant une chambre de combustion selon le deuxième aspect de l’invention.
PRESENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 illustre un système d’injection de type connu;
Sur l’ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Lafigure 2illustre un système 21 d’injection d’air et de carburant d’une turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention.
Un tel système d’injection comprend un injecteur 22 et un dispositif mélangeur 25 disposé en aval de l’injecteur 22 selon une direction d’écoulement du carburant dans le système d’injection.
On précise ici que l’amont et l’aval sont définis par rapport au sens de d’écoulement du carburant (de la gauche vers la droite sur la figure 2).
L’injecteur 22 comprend une canalisation 23 d’amenée du carburant se terminant par un nez d’injection 24. Cette canalisation 23 est dans le prolongement d’un conduit amont et fait un coude avec ce dernier.
La canalisation 23 s’étend de l’amont vers l’aval selon un axe longitudinal AA’ du système d’injection d’air et de carburant. L’injecteur 22 comprend en outre une couronne26 d’injection d’air, en aval de la canalisation 23. La couronne 26 d’injection d’air comprend une première vrille261 et une deuxième vrille262. La couronne26 entoure le nez d’injection 24. Les première et deuxième vrilles de la couronne 25 d’injection d’air comprennent des passages d’air disposés tout autour.
Depuis la couronne 26 d’injection d’air s’étend une bague 28 de connexion de l’injecteur 22 au dispositif mélangeur 25. Cette bague 28 comprend une partie annulaire 281 qui est prolongée par une partie divergente 282 évasée vers l’aval.
Le dispositif mélangeur 25 est disposé en aval de du nez d’injection 24. Le dispositif mélangeur 25 est notamment constitué d’un bol 27 comprenant une entrée annulaire 30 qui est prolongée par une partie conique 33 évasée vers l’aval. L’entrée annulaire 30 constitue l’entrée du dispositif mélangeur.
Ainsi, le dispositif mélangeur 25 définit une cavité annulaire 29 dans laquelle, en fonctionnement le mélange d’air et de carburant se fait.
En outre, l’injecteur est en partie disposé dans cette cavité annulaire 29.
L’injecteur doit être en communication fluidique avec le dispositif mélangeur.
C’est par l’intermédiaire de la bague 28 de l’injecteur que l’injecteur 22 est en communication avec le dispositif mélangeur 25. La bague 28 de connexion est avantageusement disposée autour de l’entrée 30 du dispositif mélangeur 25. En outre, la bague 28 de connexion présente un diamètre interne supérieur à celui de l’entrée 30 du dispositif mélangeur 25 de façon à ce que cette bague 28 de connexion englobe l’entrée du dispositif mélangeur.
De plus, comme cela est visible sur la figure 2, cette bague 28 est évasée vers l’aval afin de faciliter l’insertion de l’entrée dispositif mélangeur 25, au niveau du bol 27, dans la bague 28 de connexion au cours de l’assemblage de l’injecteur au dispositif mélangeur.
L’entrée 30 du dispositif mélangeur 25 comprend une surface externe 31 qui prend la forme d’une sphère tronquée et la bague 28 est en contact avec l’entrée du bol par l’intermédiaire de cette sphère tronquée. L’injecteur et le dispositif mélangeur présente au niveau de cette zone de contact une liaison rotulante.
Comme on l’aura compris, en comparaison avec l’agencement de l’art antérieur tel qu’illustré sur la figure 1, désormais la sphère se situe sur la surface externe de l’entrée 30 du dispositif mélangeur 25 et l’entrée 30 du dispositif mélangeur est située en aval du nez d’injection 24.
Comme on va le voir par la suite, cet agencement permet, au cours du fonctionnement du système d’injection, d’autoriser des déplacements relatifs de l’injecteur par rapport au dispositif mélangeur sans incidence sur le fonctionnement du système d’injection. En effet, comme présenté en introduction au cours du fonctionnement de la turbomachine le système d’injection est soumis à de très forts mouvements qui sont appliqués sur les différents éléments constituant le système d’injection.
De manière avantageuse, l’injecteur 22 comprend un venturi 32 situé axialement au voisinage du nez d’injection 24. Par rapport à l’agencement de l’art antérieur, on remarque ici que le venturi 32 fait partie de l’injecteur et non du dispositif mélangeur.
Le venturi 32 est disposé entre les première et deuxième vrilles de la couronne 26 d’injection d’air de l’injecteur 22. Ainsi, à la différence avec l’agencement de l’art antérieur tel qu’illustré sur la figure 1, la tête d’injection est désormais axialement disposée au niveau du venturi 32 et est plus proche de l’entrée 30 du dispositif mélangeur. Le mélange est donc meilleur.
De manière avantageuse, le conduit 23, la bague 28 et le venturi 32 sont formés d’une seule pièce, c’est-à-dire que toutes les pièces les constituant sont usinés dans la même pièce. Ces pièces peuvent être obtenues par un procédé de fabrication additives et sont de préférence monobloc.
Grâce au nouvel agencement des éléments du système d’injection, on constate que le fait d’avoir la liaison rotulante sur la surface externe de l’entrée du dispositif mélangeur et en aval du venturi limite la zone de recirculation au niveau du venturi 32 et de fuite due aux usures. Désormais, les fuites vont débiter dans la vrille
Par ailleurs et de manière avantageuse, le nez d’injection 24 est agencé par rapport au venturi 32 de manière à ouvrir l’angle de spray de carburant au maximum sans impacter le venturi 32 ou le bol 27 tout en conservant une section de passage entre le nez 24 et le venturi 32. En effet, lorsque l’ensemble est monobloc il est plus facile de positionner les différents éléments les uns par rapport aux autres puisqu’on s’affranchit dans ce cas des déplacements relatifs entre les pièces. Lafigure 3aillustre le spray S de carburant issu du nez d’injection 24.
En outre, lorsque l’injecteur se déplace par rapport au dispositif mélangeur 25, le fait que le venturi et la couronne d’injection d’air soient formés avec l’injecteur alors, il n’y a pas obstructions au niveau de la couronne d’injection d’air, le fonctionnement du système d’injection n’est alors pas impacté par ces déplacements.
Lesfigures 3bet3cillustrent deux cas de déplacement de l’injecteur par rapport au dispositif mélangeur. On voit de ces figures, que le venturi 32 et la couronne se déplace mais qu’elle n’est pas obstruée.
Les dimensions des différents éléments sont fixées en fonction des marges de déplacement que l’on souhaite autoriser
Le système d’injection 22 ci-dessus décrit est avantageusement implémenté dans une chambre de combustion 40 d’une turbomachine telle qu’illustrée sur la figure 4.
Claims (9)
- Système d’injection d’air et de carburant d’une turbomachine comprenant:
- un injecteur(22) comprenant une canalisation (23) et un nez d’injection (24) disposé à l’intérieur de ladite canalisation (23) qui s’étend d’amont en aval selon un axe longitudinal(AA’) ;
- un dispositif mélangeur (25) comprenant un bol (27) comprenant une entrée (30) annulaire, formant entrée du dispositif mélangeur, à partir de laquelle s’étend une partie conique (33) évasée vers l’aval, ledit dispositif mélangeur étant disposé en aval du nez d’injection (24);
le système d’injection étant caractérisé en ce que l’injecteur (22) comprend une couronne (26) d’injection d’air s’étendant la depuis canalisation (23) et à partir de laquelle s’étend une bague de (28) de connexion comprenant une partie divergente (282), ladite bague étant disposée extérieurement autour de l’entrée (30) annulaire du dispositif mélangeur. - Système d’injection selon la revendication 1, dans lequel la couronne d’injection d’air est disposée en aval de la canalisatoin (23).
- Système d’injection selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel l’entrée (30) du dispositif mélangeur est disposée en aval du nez d’injection (24).
- Système d’injection selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’entrée (30) du dispositif mélangeur comprend une surface externe (31) prenant la forme d’une sphère tronquée, la bague de connexion (28) de l’injecteur étant en contact avec l’entrée (30) du dispositif mélangeur par l’intermédiaire de ladite sphère tronquée.
- Système d’injection selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’injecteur (22) comprend un venturi (32) situé axialement au niveau de la tête d’injection.
- Système d’injection selon la revendication 5, comprenant une première vrille (261) disposée en amont du venturi et une deuxième vrille (262) disposée en aval du venturi (31), lesdites première et deuxième vrilles comprenant des passages d’air.
- Système d’injection selon la revendication 6, dans lequel le nez d’injection, le venturi (32), la couronne d’injection d’air sont formés d’une seule pièce, de préférence obtenue par un procédé de fabrication additive.
- Chambre de combustion d’une turbomachine comprenant un système d’injection selon l’une des revendications précédentes.
- Turbomachine comprenant une chambre de combustion selon la revendication 8.
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