FR3105985A1 - IMPROVED INJECTOR MULTIPOINT CIRCUIT - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un circuit multipoint (M) d’injecteur de carburant, en particulier pour une turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion (10), ledit circuit multipoint (M) comportant au moins un orifice d’injection (20) destiné à injecter du carburant dans la chambre de combustion (10), l’au moins un orifice d’injection (20) étant alimenté en carburant par des moyens (22) d’alimentation en carburant, caractérisé en ce que l’au moins un orifice d’injection (20) est alimenté en gaz par des moyens (24) d’alimentation en gaz de manière à réaliser un mélange gaz/carburant en amont de la chambre de combustion (10) et à injecter le mélange gaz/carburant dans la chambre (10). Figure pour l'abrégé : Figure 2The invention relates to a fuel injector multipoint circuit (M), in particular for an aircraft turbomachine comprising a combustion chamber (10), said multipoint circuit (M) comprising at least one injection orifice (20). for injecting fuel into the combustion chamber (10), the at least one injection port (20) being supplied with fuel by fuel supply means (22), characterized in that the at least one an injection orifice (20) is supplied with gas by gas supply means (24) so as to produce a gas / fuel mixture upstream of the combustion chamber (10) and to inject the gas / fuel mixture in the bedroom (10). Figure for abstract: Figure 2
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
La présente invention concerne le domaine général des injecteurs de carburant présents dans la chambre de combustion d’une turbomachine d’aéronef.The present invention relates to the general field of fuel injectors present in the combustion chamber of an aircraft turbomachine.
Arrière-plan techniqueTechnical background
De manière connue une turbomachine, 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.In known manner, a turbomachine, such as a turbojet, comprises a combustion chamber which is located downstream of an HP (High Pressure) compressor in the direction of circulation of the air flows in the turbomachine.
Actuellement, les turboréacteurs fonctionnent classiquement avec des injecteurs de carburant associés à des systèmes d’injection souvent sous la forme de vrilles (axiales ou radiales) utilisant l’air provenant du compresseur HP (Haute Pression) pour pulvériser le carburant dans la chambre de combustion.Currently, turbojet engines conventionally operate with fuel injectors associated with injection systems often in the form of swirls (axial or radial) using the air coming from the HP (High Pressure) compressor to spray the fuel into the combustion chamber. .
Comme notamment illustré dans les documents FR2996287, FR2919672, les injecteurs qui équipent ces chambres sont munis de plusieurs circuits de carburant: un (ou plusieurs) circuit(s) pilote(s) présentant une vrille aéromécanique ou un jet linéique, et un circuit multipoint (ou principal), présentant de multiple jets linéiques dans un flux transversal. Ceux-ci peuvent fonctionner de manière commune ou séparée:As illustrated in particular in the documents FR2996287, FR2919672, the injectors which equip these chambers are provided with several fuel circuits: one (or more) pilot circuit(s) having an aeromechanical spin or a linear jet, and a multipoint circuit (or principal), presenting multiple line jets in a transverse flow. These can operate jointly or separately:
- le ou les circuit(s) pilote(s) permet(tent) d’une part, de réaliser une combustion dite riche et d’autre part, d’alimenter la chambre de combustion en carburant pour les phases d’allumage et d’enroulement du moteur (propagation de la flamme de secteurs à secteurs de chambre).- the pilot circuit(s) allow(s) on the one hand, to carry out a so-called rich combustion and on the other hand, to supply the combustion chamber with fuel for the ignition phases and winding of the motor (propagation of the flame from sectors to chamber sectors).
- le circuit multipoint (circuit principal) qui sert d’une part à réaliser une combustion dite pauvre et d’autre part, à alimenter la chambre de combustion pour les phases de décollage et de vol croisière. Ce circuit peut donc être non débitant sur les faibles régimes; il s’expose alors à des risques de cokéfaction du carburant stagnant qui peut colmater le circuit.- the multipoint circuit (main circuit) which is used on the one hand to achieve so-called lean combustion and on the other hand to supply the combustion chamber for the take-off and cruise flight phases. This circuit can therefore be non-debiting on low speeds; it is then exposed to risks of coking of the stagnant fuel which can clog the circuit.
La combustion pauvre étant naturellement instable, le circuit pilote est utilisé avec le circuit multipoint pour assurer la stabilité de la combustion.Since lean combustion is naturally unstable, the pilot circuit is used with the multipoint circuit to ensure combustion stability.
De manière bien connue en soit, les chambres de combustion émettent de nombreux polluants (CO2, CO, NOx, particules fines). Les émissions de particule et de NOxsont principalement liées à la qualité et la distribution du spray de carburant dans la chambre de combustion.In a way that is well known in itself, combustion chambers emit numerous pollutants (CO 2 , CO, NO x , fine particles). Particle and NO x emissions are mainly related to the quality and distribution of the fuel spray in the combustion chamber.
Afin de réduire ces émissions, de nouvelles chambres ont été conçues. Ces chambres reposent sur la «combustion pauvre» qui permet de réduire la température des gaz brûlés et ainsi la formation de NOx.In order to reduce these emissions, new chambers have been designed. These chambers are based on “lean combustion” which makes it possible to reduce the temperature of the burnt gases and thus the formation of NO x .
Dans le cadre des dynamiques normatives et gouvernementales visant des réductions importantes (et nécessaires) d’émissions d’imbrûlés, la conception d’injecteurs est toujours à parfaire pour atteindre les objectifs fixés. La problématique de cokéfaction est également essentielle. La taille des gouttes issues de l’atomisation du spray influence directement les gaz imbrulés émis par le moteur, ainsi toute amélioration est bénéfique pour réduire cette problématique. La cokéfaction se forme et s’accroche sur les parois immergées de carburant de l’injecteur. Une fois la cokéfaction formée, elle obture progressivement les injecteurs jusqu’à leur bouchage complet.Within the framework of normative and governmental dynamics aiming at significant (and necessary) reductions in unburnt emissions, the design of injectors must always be perfected to achieve the objectives set. The problem of coking is also essential. The size of the drops resulting from the atomization of the spray directly influences the unburned gases emitted by the engine, so any improvement is beneficial to reduce this problem. The coking forms and clings to the submerged fuel walls of the injector. Once the coking has formed, it gradually closes the injectors until they are completely clogged.
La présente invention a notamment pour objectif d’améliorer la qualité du spray afin de réduire les émissions polluantes.The object of the present invention is in particular to improve the quality of the spray in order to reduce polluting emissions.
On parvient à réaliser cet objectif, conformément à l’invention grâce à un circuit multipoint d’injecteur de carburant, en particulier pour une turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion, ledit circuit multipoint comportant au moins un orifice d’injection destiné à injecter du carburant dans la chambre de combustion, l’au moins un orifice d’injection étant alimenté en carburant par des moyens d’alimentation en carburant, caractérisé en ce que l’au moins un orifice d’injection est alimenté en gaz par des moyens d’alimentation en gaz de manière à réaliser un mélange gaz/carburant en amont de la chambre de combustion et à injecter le mélange gaz/carburant dans la chambre.This objective is achieved, in accordance with the invention, by virtue of a multipoint fuel injector circuit, in particular for an aircraft turbomachine comprising a combustion chamber, said multipoint circuit comprising at least one injection orifice intended to injecting fuel into the combustion chamber, the at least one injection orifice being supplied with fuel by fuel supply means, characterized in that the at least one injection orifice is supplied with gas by gas supply means so as to produce a gas/fuel mixture upstream of the combustion chamber and to inject the gas/fuel mixture into the chamber.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, le changement de la technologie du circuit multipoint permet d’améliorer la qualité du spray de carburant. Elle permet également de limiter les risques d’accumulation de carburant stagnant dans le circuit multipoint présentant alors une forte probabilité de se cokéfier. En effet, le circuit multipoint n’étant pas utilisé dans toutes les phases de vol, une fois l’arrivée de carburant coupée, l’injecteur peut se purger sous l’effet de l’air qui entre toujours dans le circuit multipoint. S’observe alors une accélération de l’air menant à un effet Venturi et une réduction ou suppression du refroidissement de l’injecteur est possible sans augmenter le risque de cokéfaction.Thus, this solution achieves the above objective. In particular, the change in the technology of the multipoint circuit makes it possible to improve the quality of the fuel spray. It also makes it possible to limit the risk of accumulation of stagnant fuel in the multipoint circuit, which then presents a high probability of coking. Indeed, since the multipoint circuit is not used in all phases of flight, once the fuel supply has been cut off, the injector can bleed under the effect of the air which still enters the multipoint circuit. An acceleration of the air is then observed leading to a Venturi effect and a reduction or elimination of injector cooling is possible without increasing the risk of coking.
Le circuit multipoint 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:The multipoint circuit according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately from each other or in combination with each other:
- les moyens d’alimentation en carburant comportent une chambre de mélange, les moyens d’alimentation en air débouchant dans cette chambre de mélange,- the fuel supply means comprise a mixing chamber, the air supply means opening into this mixing chamber,
- la chambre de mélange débouche directement dans l’orifice d’injection,- the mixing chamber opens directly into the injection orifice,
- les moyens d’alimentation en carburant comprennent une restriction de section de manière à accélérer le carburant et aspirer du gaz,- the fuel supply means include a section restriction so as to accelerate the fuel and suck in gas,
- les moyens d’alimentation en gaz comprennent un canal débouchant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’écoulement du carburant dans les moyens d’alimentation en carburant,- the gas supply means comprise a channel opening out in a direction substantially perpendicular to the direction of flow of the fuel in the fuel supply means,
- les moyens d’alimentation en gaz comprennent un canal débouchant selon une direction sensiblement parallèle à la direction d’écoulement du carburant dans les moyens d’alimentation en carburant,- the gas supply means comprise a channel opening out in a direction substantially parallel to the direction of flow of the fuel in the fuel supply means,
- l’injection de gaz se fait en amont de l’orifice d’injection, de manière à obtenir une atomisation du carburant avant l’injection dans la chambre de combustion,- gas injection is done upstream of the injection orifice, so as to obtain atomization of the fuel before injection into the combustion chamber,
- le gaz est injecté dans les moyens d’alimentation en carburant, de manière à créer des perturbations aérodynamiques dans le flux de carburant,- the gas is injected into the fuel supply means, so as to create aerodynamic disturbances in the flow of fuel,
- le gaz est injecté dans les moyens d’alimentation en carburant au centre du flux de carburant, de manière à créer un mélange diphasique fortement turbulent en amont de l’orifice d’injection.- the gas is injected into the fuel supply means at the center of the fuel flow, so as to create a highly turbulent two-phase mixture upstream of the injection orifice.
L’invention a également pour objet un système d’injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine d’aéronef, le système comportant un circuit pilote destiné à injecter du carburant, à travers un orifice d’injection pilote, dans la chambre de combustion et un circuit multipoint selon les caractéristiques précédentes.The invention also relates to a system for injecting fuel into an aircraft turbomachine combustion chamber, the system comprising a pilot circuit intended to inject fuel, through a pilot injection orifice, into the combustion and a multipoint circuit according to the preceding characteristics.
Brève description des figuresBrief description of 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:Other characteristics and advantages of the invention will appear during the reading of the detailed description which will follow for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which:
Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention
Classiquement, 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.Conventionally, a turbomachine comprises a gas generator comprising in particular one or more compressors, for example low pressure and high pressure, arranged upstream of a combustion chamber.
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.By convention, in the present application, the terms “upstream” and “downstream” are defined with respect to the direction of circulation of the gases in the turbomachine. Similarly, by convention in the present application, the terms “internal” and “external” are defined radially with respect to the longitudinal axis of the turbomachine, which is in particular the axis of rotation of the rotors of the compressors.
La figure 1 illustre partiellement une chambre 10 de combustion présentant une forme annulaire autour d’un axe X de révolution. L’axe X est sensiblement parallèle la direction générale d’écoulement des gaz G dans la turbomachine. La chambre 10 est placée dans une enceinte annulaire délimitée radialement par un carter annulaire externe 12a et un carter annulaire interne 12b. La chambre 10 est délimitée par des parois annulaires interne 14a et externe 14b coaxiales réunies en amont par une paroi annulaire 16 de fond de chambre. La paroi de fond 16 de la chambre 10 est communément appelée fond de chambre 16.Figure 1 partially illustrates a combustion chamber 10 having an annular shape around an axis X of revolution. The X axis is substantially parallel to the general direction of gas flow G in the turbomachine. The chamber 10 is placed in an annular enclosure delimited radially by an outer annular casing 12a and an inner annular casing 12b. The chamber 10 is delimited by coaxial internal 14a and external 14b annular walls joined upstream by an annular wall 16 at the bottom of the chamber. The bottom wall 16 of the chamber 10 is commonly referred to as the bottom of the chamber 16.
Comme visible sur la figure 2, le fond de chambre 16 comprend deux types d’orifices d’injection de carburant 18, 20, coopérant chacun avec l’un des deux circuits P, M de carburant présentés en introduction:As visible in Figure 2, the chamber bottom 16 comprises two types of fuel injection ports 18, 20, each cooperating with one of the two fuel circuits P, M presented in the introduction:
- un orifice d’injection pilote 18 associé au circuit pilote P dont le fonctionnement ne sera pas détaillé plus avant dans la présente demande,- a pilot injection orifice 18 associated with the pilot circuit P, the operation of which will not be detailed further in this application,
- une série d’orifices d’injection multipoint 20 associés au circuit multipoint M.- a series of multipoint injection ports 20 associated with the multipoint circuit M.
De manière connue en soi, et comme illustré sur la figure 2, les orifices d’injection multipoint 20 sont répartis angulairement autour de l’axe X et configurés pour être alimentés en carburant par des moyens 22 en carburant. Chaque orifice d’injection 18, 20 permet ainsi l’injection, dans le fond de chambre 16, de carburant.In a manner known per se, and as illustrated in FIG. 2, the multipoint injection orifices 20 are distributed angularly around the axis X and configured to be supplied with fuel by means 22 of fuel. Each injection orifice 18, 20 thus allows the injection, into the bottom of the chamber 16, of fuel.
Classiquement (voir figure 2), de l’air est injecté via des vrilles 26, juste en aval des orifices d’injection 18, 20, directement dans la chambre de combustion 10. Cet air injecté via les vrilles 26 interagit avec le carburant de manière à permettre la combustion de celui-ci.Conventionally (see FIG. 2), air is injected via augers 26, just downstream of the injection ports 18, 20, directly into the combustion chamber 10. This air injected via the augers 26 interacts with the fuel of so as to allow it to burn.
Dans la présente invention, et comme illustré sur les figures 3a, 3b, 3c, chaque orifice d’injection 20 du circuit multipoint M est, en outre, alimenté en air par des moyens 24 d’alimentation en air en amont de chaque orifice 20. Ceci permet de réaliser un mélange air/carburant avant l’injection dans la chambre de combustion 10. C’est ainsi un mélange air/carburant qui est injecté dans le fond de chambre 16. On se retrouve donc avec un prémélange d’air/carburant en amont de la chambre de combustion.In the present invention, and as illustrated in FIGS. 3a, 3b, 3c, each injection orifice 20 of the multipoint circuit M is also supplied with air by air supply means 24 upstream of each orifice 20 This makes it possible to produce an air/fuel mixture before injection into the combustion chamber 10. It is thus an air/fuel mixture which is injected into the bottom of the chamber 16. We therefore end up with a premix of air /fuel upstream of the combustion chamber.
Le mélange air/liquide est ensuite injecté par l’ensemble des orifices d’injection 20. L’air en sortie de vrilles 26 a alors une très bonne propension à désintégrer la nappe de carburant (mélange air/carburant) injectée dans le chambre de combustion 10.The air/liquid mixture is then injected through all of the injection orifices 20. The air leaving the swirlers 26 then has a very good propensity to disintegrate the fuel sheet (air/fuel mixture) injected into the burning 10.
Les orifices d’injection 20 ne sont donc plus des jets linéiques: ils forment des injecteurs assistés en air (aussi appelés injecteurs à émulsion ou à effervescence) et permettent d’améliorer la qualité de l’atomisation du carburant dans la chambre de combustion 10 en créant une interaction aérodynamique importante en sortie de chaque orifice d’injection 20.The injection orifices 20 are therefore no longer linear jets: they form air-assisted injectors (also called emulsion or effervescence injectors) and make it possible to improve the quality of the atomization of the fuel in the combustion chamber 10 by creating a significant aerodynamic interaction at the outlet of each injection port 20.
Les débits gazeux injectés via les moyens 24 d’alimentation en air sont faibles par rapport aux débits gazeux circulant dans les vrilles 26 mais permettent néanmoins une amélioration sensible de la qualité de l’atomisation dans la chambre de combustion 10. Le gaz introduit n’a pas besoin d’être soluble dans le carburant.The gas flow rates injected via the air supply means 24 are low compared to the gas flow rates circulating in the augers 26 but nevertheless allow a significant improvement in the quality of the atomization in the combustion chamber 10. The gas introduced does not need not be fuel soluble.
Les moyens 24 d’alimentation en gaz sont, par exemple, des canaux. Ces canaux peuvent déboucher selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’écoulement du carburant dans la chambre de combustion 10. Ces canaux peuvent aussi, par exemple, déboucher selon une direction sensiblement parallèle à la direction d’écoulement du carburant dans la chambre de combustion 10.The gas supply means 24 are, for example, channels. These channels can emerge in a direction substantially perpendicular to the direction of flow of the fuel in the combustion chamber 10. These channels can also, for example, emerge in a direction substantially parallel to the direction of flow of the fuel in the combustion chamber. burning 10.
La direction d’écoulement du carburant peut être la même que la direction d’injection dudit carburant.The fuel flow direction may be the same as the injection direction of said fuel.
Selon un premier mode de réalisation illustré en figure 3a, les moyens d’alimentation 22 en carburant comprennent une restriction de section R de manière à accélérer le carburant qui s’écoule vers la chambre de combustion 10. Les moyens 24 d’alimentation en gaz débouchent, en aval de cette restriction R et de manière sensiblement perpendiculaire à la direction d’injection du carburant, dans les moyens 22 d’alimentation en carburant. Ainsi, cette accélération de carburant permet d’aspirer de l’air et de générer le prémélange air/carburant.According to a first embodiment illustrated in FIG. 3a, the fuel supply means 22 comprise a section restriction R so as to accelerate the fuel which flows towards the combustion chamber 10. The gas supply means 24 open, downstream of this restriction R and substantially perpendicular to the fuel injection direction, into the means 22 for supplying fuel. Thus, this acceleration of fuel makes it possible to suck in air and generate the air/fuel premix.
Dans le cas de ce premier mode de réalisation, l’introduction d’air en amont de l’orifice d’injection 20 permet de réaliser une première atomisation du carburant. Une deuxième atomisation du carburant est réalisée, dans la chambre de combustion 10, en aval des orifices d’injection 18, 20.In the case of this first embodiment, the introduction of air upstream of the injection orifice 20 makes it possible to achieve a first atomization of the fuel. A second atomization of the fuel is carried out, in the combustion chamber 10, downstream of the injection ports 18, 20.
Dans les deux modes de réalisation illustrés aux figures 3b et 3c, les moyens 22 d’alimentation en carburant comportent une chambre de mélange 28 et les moyens 24 d’alimentation en gaz débouchent dans cette chambre de mélange 28. Chaque orifice d’injection 20 est ainsi muni d’une telle chambre de mélange 28 et chaque chambre de mélange 28 débouche directement dans l’orifice d’injection 20.In the two embodiments illustrated in FIGS. 3b and 3c, the fuel supply means 22 comprise a mixing chamber 28 and the gas supply means 24 open into this mixing chamber 28. Each injection orifice 20 is thus provided with such a mixing chamber 28 and each mixing chamber 28 opens directly into the injection orifice 20.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 3b, les moyens 24 d’alimentation en gaz débouchent, comme dans le mode de réalisation précédent, sensiblement perpendiculairement à la direction d’écoulement du carburant. Dans ce deuxième mode de réalisation, de l’air est injecté dans le carburant et cette injection crée des perturbations aérodynamiques dans le flux de carburant en amont de l’orifice d’injection 20.In the embodiment illustrated in FIG. 3b, the gas supply means 24 emerge, as in the previous embodiment, substantially perpendicular to the fuel flow direction. In this second embodiment, air is injected into the fuel and this injection creates aerodynamic disturbances in the fuel flow upstream of the injection port 20.
Dans le troisième mode de réalisation illustré à la figure 3c, le gaz est injecté axialement, dans une direction sensiblement parallèle à l’écoulement du carburant. L’injection de l’air est, en outre, réalisée au centre du flux de carburant. Ainsi, dû à la faible inertie du carburant relativement au gaz injecté, le carburant reste proche des parois de la chambre de mélange 28 et on assiste à la création d’un mélange diphasique fortement turbulent.In the third embodiment illustrated in Figure 3c, the gas is injected axially, in a direction substantially parallel to the flow of fuel. Air injection is also carried out in the center of the fuel flow. Thus, due to the low inertia of the fuel relative to the injected gas, the fuel remains close to the walls of the mixing chamber 28 and a highly turbulent two-phase mixture is created.
Par ailleurs, et ce, peu importe le mode de réalisation considéré, lorsque le circuit multipoint M ne débite pas de carburant, l’air circulant dans le circuit multipoint M crée une dépression (accélération de l’air, effet venturi) et draine ainsi le carburant stagnant. L’invention permet ainsi, en plus d’améliorer l’efficacité du spray injecté dans la chambre de combustion 10, de limiter le temps d’exposition du carburant stagnant dans ce circuit multipoint (M) aux fortes températures de la chambre de combustion 10. Ainsi, on limite fortement le risque de gommage voire de cokéfaction du carburant.Furthermore, regardless of the embodiment considered, when the multipoint circuit M does not deliver fuel, the air circulating in the multipoint circuit M creates a depression (acceleration of the air, venturi effect) and thus drains stagnant fuel. The invention thus makes it possible, in addition to improving the effectiveness of the spray injected into the combustion chamber 10, to limit the exposure time of the stagnant fuel in this multipoint circuit (M) to the high temperatures of the combustion chamber 10 Thus, the risk of sticking or even coking of the fuel is greatly limited.
Claims (11)
caractérisé en ce quel’au moins un orifice d’injection (20) est alimenté en gaz par des moyens (24) d’alimentation en gaz de manière à réaliser un mélange gaz/carburant en amont de la chambre de combustion (10) et à injecter le mélange gaz/carburant dans la chambre (10).Fuel injector multipoint circuit (M), in particular for an aircraft turbine engine comprising a combustion chamber (10), said multipoint circuit (M) comprising at least one injection orifice (20) intended to inject fuel in the combustion chamber (10), the at least one injection orifice (20) being supplied with fuel by fuel supply means (22),
characterized in that the at least one injection orifice (20) is supplied with gas by gas supply means (24) so as to produce a gas/fuel mixture upstream of the combustion chamber (10) and injecting the gas/fuel mixture into the chamber (10).
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