FR3105984A1 - Système d’injection de carburant antirotatif - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système d’injection de carburant débouchant dans un fond (F) de chambre de combustion (16), en particulier de turbomachine, le système d’injection comportant un injecteur présentant une extrémité amont destinée à être reliée à un dispositif de distribution (D) de carburant et, une extrémité aval formant un nez (N) destiné à s’insérer dans un orifice (28) du fond de chambre (F) de combustion (16), caractérisé en ce que le nez (N) de l’injecteur présente un profil externe de forme complémentaire à un profil interne de l’orifice (28). Figure pour l'abrégé : Figure 5
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine général des injecteurs de carburant présents dans la chambre de combustion d’une turbomachine.
Arrière-plan technique
Actuellement, les turboréacteurs d’aéronefs utilisent des systèmes d’injection de carburant comportant au moins un injecteur de carburant associé à un dispositif de distribution de carburant souvent sous la forme de vrilles (axiales ou radiales). Ces systèmes d’injection utilisent de l’air provenant d’un compresseur HP (haute pression) pour pulvériser du carburant dans la chambre de combustion du turboréacteur.
Il existe, de manière bien connue de toute personne du métier, deux catégories d’injecteurs:
- les injecteurs aérodynamiques qui utilisent la pression et la vitesse de l’air en sortie du compresseur HP pour mettre le carburant en sortie de l’injecteur en rotation, et
- les injecteurs aéromécaniques (voir figure 2) qui utilisent la pression du carburant à l’intérieur de l’injecteur pour pulvériser le carburant.
Les injecteurs aéromécaniques à double circuit carburant sont composés de deux vrilles carburant : une vrille primaire V1 et une vrille secondaire V2. Ces injecteurs à double circuit sont, aujourd’hui, utilisés en grande majorité car ils permettent de répondre aux normes de plus en plus strictes qui encadrent les émissions de polluants.
Classiquement, l’injecteur comporte une extrémité amont reliée au dispositif de distribution de carburant D (voir figure 2) et une extrémité aval (appelée nez N) qui s’interface à un bol B par un contact linéique, cylindrique ou rotulant (voir figure 3). Le bol B fait partie de la chambre de combustion 16 et est lié au un fond F de chambre de combustion 16 par une liaison appui plan (voir figure 3). L’injecteur, la chambre de combustion 16 ainsi que le fond de chambre F sont encastrés à un carter chambre. La seule pièce pouvant se mouvoir par rapport au carter chambre est le bol B de la chambre de combustion 16.
Le nez N de l’injecteur s’interface au bol au moyen d’une traversée coulissante T (voir figure 2) s’ouvrant dans le fond F de la chambre de combustion 16. Cette traversée T enveloppe lesdits moyens de contact linéique, cylindrique ou rotulant. La traversée coulissante T laisse un degré de liberté vis-à-vis des dilatations thermiques subies en cours de fonctionnement.
Classiquement, comme divulgués dans les documents FR3064050, FR2970551 et WO2012156631 et comme illustré sur la figure 3, le bol B, en appui plan sur le fond de chambre F, est bloqué en rotation par une languette anti-rotation L, comme illustré en figure 2 et 4. Cette languette anti-rotation L s’insère dans une rainure R dans le fond de chambre F de manière a empêcher la rotation du bol B (voir figure 4). Plus précisément, la languette anti-rotation L est venue de matière avec la traversée coulissante T. La languette L est placée avec jeu dans une rainure R formée dans le fond F de chambre de combustion 16.
Dans le fonctionnement moteur, l’injecteur est soumis à un environnement vibratoire et thermique sévère. Il apparaît donc une usure prononcée du nez N de l’injecteur pouvant amener des fuites d’air non contrôlées et non souhaitées entre le nez N de l’injecteur et la traversée coulissante T. Ces fuites peuvent perturber le flux de gouttelettes et compliquer l’enroulement (propagation de la flamme aux secteurs voisins) de la chambre de combustion.
Dans l’état de la technique actuel, il arrive assez fréquemment que la languette anti-rotation L se rompt sous l’effet des différentes charges. Ainsi, le bol B n’est plus retenu et peut se mettre à tourner en raison des vibrations et efforts aérodynamiques induits provoquants l’usure prématurée de la traversée coulissante T et du nez de l’injecteur N.
La présente invention a notamment pour objectif de déporter le «blocage en rotation» du bol B au niveau dudit nez N afin d’éviter la rupture de la languette L anti-rotation et donc l’usure du nez N d’injecteur et de la traversée coulissante T.
On parvient à réaliser cet objectif, conformément à l’invention grâce à un système d’injection de carburant débouchant dans un fond de chambre de combustion, en particulier de turbomachine, le système d’injection comportant un injecteur présentant:
une extrémité amont destinée à être reliée à un dispositif de distribution de carburant et,
une extrémité aval formant un nez destiné à s’insérer dans un orifice du fond de chambre de combustion,
caractérisé en ce que le nez de l’injecteur présente un profil externe de forme complémentaire à un profil interne de l’orifice.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, le changement de forme du nez de l’injecteur avec mise en place d’une forme complémentaire de l’orifice de la traversée coulissante permet de répondre au besoin fonctionnel de réduction de l’usure des nez d’injecteurs de carburant.
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:
- le nez présente des premières cannelures formées sur une surface radialement externe et coopérant avec des deuxièmes cannelures complémentaires ménagées sur une surface radialement interne de l’orifice,
- la chambre de combustion comporte en outre un bol lié au un fond de la chambre de combustion par une liaison appui plan, et en ce que l’orifice est ménagé dans le bol,
- le nez de l’injecteur présente une section transversale de forme sphérique,
- le nez de l’injecteur présente une section radiale de forme hexagonale,
- la surface externe du nez de l’injecteur présente un profil denté ou cranté,
- le nez de l’injecteur est muni d’une clavette destinée à coopérer avec une rainure complémentaire de l’intérieur de l’orifice,
- l’injecteur et le dispositif de distribution sont mobiles en translation l’un par rapport à l’autre.
L’invention a également pour objet une turbomachine comportant un système d’injection de carburant selon l’une quelconque caractéristiques précédentes.
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
Dans la présente invention, et de manière générale, les termes «amont» et «aval» sont définis par rapport à la circulation des gaz dans la turbomachine qui est sensiblement parallèle à l’axe longitudinal X. De même, les termes «interne», «externe», «au-dessus», «en-dessous», «radial» et «radialement» sont définis par rapport un l’axe radial Z perpendiculaire à l’axe longitudinal X et au regard de l’éloignement par rapport à l’axe longitudinal X. Enfin, les termes «axial» et «axialement» sont définis par rapport à l’axe longitudinal.
De manière connue en soi, une turbomachine 10, telle qu’un turboréacteur, comprend une chambre de combustion qui est située en aval d’un compresseur HP (Haute Pression) suivant le sens de circulation des flux d’air dans la turbomachine.
Comme visible sur la figure 1, une telle turbomachine comporte en général, de l'amont vers l'aval selon la direction d'écoulement des gaz, un compresseur basse pression 12, un compresseur haute pression 14, une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20, qui définissent un veine d’écoulement d’un flux primaire de gaz 22.
La turbine haute pression 18 est solidaire du compresseur haute pression 14 de manière à former un corps haute pression (HP), tandis que la turbine basse pression 20 est solidaire du compresseur basse pression 12 de manière à former un corps basse pression (BP), de sorte que chaque turbine18, 20 entraîne le compresseur 12, 14 associé en rotation autour d'un axe de turboréacteur 24 sous l'effet de la poussée des gaz provenant de la chambre de combustion 16. Les gaz sont ensuite évacués par une tuyère 22 de manière à générer une poussée et à faire avancer l’aéronef.
La chambre de combustion 16 est destinée à chauffer l’air qui sort du dernier étage du compresseur HP afin de lui apporter l’énergie nécessaire à faire mouvoir les turbines 18, 20 et à donner suffisamment de poussée à la tuyère 22. Cet apport de chaleur se fait par la combustion de l’oxygène de l’air avec un carburant.
En fonctionnement, un débit d'air fourni par un compresseur d'alimentation (non représenté) passe à travers les vrilles 24 de la paroi de fond F de chambre 16 et est mélangé au carburant amené par l’injecteur. Ce mélange air/carburant est ensuite brûlé à l'intérieur de la chambre de combustion 16. La combustion du mélange d'air et de carburant est initiée dans la zone primaire de la chambre de combustion 16 au moyen d'une ou de deux bougie(s) d'allumage (non représentée(s)).
Comme visible sur la figure 3, l’interface actuelle entre le fond F de chambre 16 et l’injecteur est constituée d’un nez N sphérique en contact et en coulissement dans un orifice 28 présentant une forme générale de cylindre creux. A cette interface, le bol B est maintenu en place au moyen d’une traversée coulissante T formant l’orifice 28 et s’ouvrant dans le fond F de la chambre de combustion 16 et du nez de l’injecteur N. Plus précisément, et comme visible sur la figure 2, cette traversée coulissante T est la partie du bol B qui vient au contact du nez N de l’injecteur. La traversée T enveloppe ainsi les moyens de contact linéique, cylindrique ou rotulant. Il est nécessaire de couvrir l’ensemble de ces moyens de contact sans supprimer la mobilité en translation entre le nez N et le bol B. En effet, la mobilité en translation est nécessaire pour permettre aux pièces (le nez N et bol B) de se dilater l’une par rapport à l’autre.
Dans la présente invention, pour à la fois conserver la possibilité de translation et éviter que le bol B ne se mette en rotation, on se propose de déporter la fonction anti-rotation du dispositif de distribution de carburant D sur le nez N de l’injecteur par l’utilisation de cannelures. Ainsi, comme visible en partie sur la figure 5, le nez N de l’injecteur présente un profil externe de forme complémentaire à un profil interne de l’orifice 28.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, on voit donc que le nez N présente, à sa surface radialement externe, une première série de cannelures longitudinales 30. Parallèlement, une deuxième série de cannelures longitudinales complémentaires aux cannelures 30 du nez N est ménagée à l’intérieur de l’orifice 28, sur une surface radialement interne de celui-ci.
Ces première et deuxième séries de cannelures 30 peuvent ainsi coopérer par emboîtement du nez N dans l’orifice 28 et empêcher la rotation du bol B autour du nez N de l’injecteur.
Dans le mode de réalisation présenté en figure 6a, on voit que le nez N présente une surface radialement externe comportant plusieurs angles: la section du nez N présente ainsi une forme hexagonale. Dans ce mode de réalisation, la surface interne de l’orifice 28 présente une forme hexagonale complémentaire. Les deux surfaces peuvent ainsi coopérer par emboîtement et empêcher la rotation du bol B sur le nez N de l’injecteur.
Dans le mode de réalisation de la figure 6b, on voit que le nez N présente, sur sa surface externe, un profil denté ou cranté. Dans ce mode de réalisation, la surface interne de l’orifice 28 présente un profil denté ou cranté complémentaire, permettant une coopération par emboîtement du nez N dans l’orifice 28 et permettant ainsi de bloquer le bol B sur le nez N en rotation dans l’orifice 28.
Dans un mode de réalisation non représenté, le nez N de l’injecteur présente une section hexagonale et une surface externe munie de dents. Il est également possible d’utiliser, par exemple, une rainure, une clavette, ainsi que toute forme de contact n’étant pas de révolution telle qu’une forme triangulaire, carrée, pentagonale. La seule condition étant que cette forme épouse la forme du contact de l’orifice 28.
La présente invention permet ainsi, en stabilisant la liaison nez N/fond F de chambre 16, de limiter les frottements entre la surface externe du nez N et la surface interne de l’orifice 28 et ainsi d’augmenter la durée de vie des injecteurs carburants et donc du système d’injection dans son ensemble.
La présente invention permet également d’augmenter la surface de contact entre le nez N de l’injecteur et le bol B de la chambre de combustion 16, ce qui permet de mieux répartir l’effort menant à l’usure. L’usure du nez N et du bol B s’en trouve ainsi réduite.
Les fuites d’air entre le bol B et le nez N peuvent être préjudiciable pour l’allumage dans la chambre de combustion. La présente invention permet de se prémunir d’une dégradation des performances d’allumage dans la chambre de combustion.
Claims (9)
- Système d’injection de carburant débouchant dans un fond (F) de chambre de combustion (16), en particulier de turbomachine, le système d’injection comportant un injecteur présentant:
- une extrémité amont destinée à être reliée à un dispositif de distribution (D) de carburant et,
- une extrémité aval formant un nez (N) destiné à s’insérer dans un orifice (28) du fond de chambre (F) de combustion (16),
caractérisé en ce quele nez (N) de l’injecteur présente un profil externe de forme complémentaire à un profil interne de l’orifice (28). - Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le nez (N) présente des premières cannelures formées sur une surface radialement externe et coopérant avec des deuxièmes cannelures complémentaires ménagées sur une surface radialement interne de l’orifice (28).
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de combustion (16) comporte en outre un bol (B) lié au un fond (F) de la chambre de combustion (16) par une liaison appui plan, et en ce que l’orifice (28) est ménagé dans le bol (B).
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nez (N) de l’injecteur présente une section transversale de forme sphérique.
- Système selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le nez (N) de l’injecteur présente une section radiale de forme hexagonale.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe du nez (N) de l’injecteur présente un profil denté ou cranté.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nez (N) de l’injecteur est muni d’une clavette destinée à coopérer avec une rainure complémentaire de l’intérieur de l’orifice.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de distribution (D) et en ce que l’injecteur et le dispositif de distribution (D) sont mobiles en translation l’un par rapport à l’autre.
- Turbomachine comportant un système d’injection de carburant selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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