FR3109186A1 - Injecteur de carburant pour une turbomachine d’aeronef - Google Patents
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Abstract
INJECTEUR DE CARBURANT POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF L’invention concerne un injecteur (14) de carburant pour une turbomachine (1) d’aéronef, comprenant un corps tubulaire (15) s’étendant entre une première extrémité (15a) configurée pour être fixée à un carter (11a) d’une chambre de combustion (5) de la turbomachine (1) et une deuxième extrémité (15b) comportant une buse d’éjection (16) de carburant, le corps tubulaire (15) comportant un canal interne (17) de circulation de carburant s’étendant entre les première (15a) et deuxième extrémités (15b), caractérisé en ce que l’injecteur (14) comprend en outre un dispositif de pyrolyse (18) configuré pour chauffer des résidus de carburant dans l’injecteur (14). Figure d’abrégé : Figure 2
Description
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne le domaine des injecteurs de carburant pour les chambres de combustion de turbomachines d’aéronefs.
Arrière-plan technique
De manière bien connue, une turbomachine d’aéronef comprend une soufflante permettant l’aspiration d’un flux d’air se divisant en un flux primaire et un flux secondaire. Le flux primaire traverse le moteur de la turbomachine tandis que le flux secondaire est dirigé vers une veine secondaire délimitée par un carter fixé à une nacelle de l’aéronef et une structure de support du moteur.
Le flux primaire est comprimé au sein, par exemple, d’un compresseur basse pression puis un compresseur haute pression du moteur. L’air comprimé est ensuite mélangé à un carburant et brulé au sein d’une chambre annulaire de combustion agencée en aval de la série de compresseurs. Les gaz formés par la combustion traversent une turbine haute pression et une turbine basse pression situées en aval de la chambre de combustion et qui permettent d’entrainer les compresseurs. Les gaz s’échappent enfin au travers d’une tuyère dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion.
La chambre de combustion définie une enceinte annulaire délimitée radialement par un carter interne et un carter externe, les carters étant agencés coaxialement par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine. Le carburant alimentant la chambre de combustion est injecté au travers d’un ou plusieurs injecteurs agencés autour de la chambre de combustion.
Les injecteurs présentent un corps tubulaire s’étendant entre une première extrémité fixée au carter externe de la chambre de combustion et une deuxième extrémité comportant une buse d’éjection de carburant qui débouche dans le fond de la chambre de combustion. Le corps tubulaire présente une partie qui s’étend radialement par rapport à l’axe de la chambre de combustion et une partie coudée de manière à ce que sa deuxième extrémité soit orientée dans l’axe de la chambre de combustion.
Les injecteurs sont disposés dans une zone de circulation d’air chaud et sont alors fréquemment soumis à des températures supérieures à 150°C, notamment lors des phases de ralentissement ou d’arrêt du moteur. Dans ces conditions, des phénomènes de cokéfaction du carburant présent dans le corps tubulaire des injecteurs apparaissent. Il est alors observé un dépôt de résidus solides issus de la cokéfaction du carburant sur les parois internes des injecteurs. Ces dépôts ont tendance à apparaitre dans les zones où la température est particulièrement élevée, c’est-à-dire dans la partie coudée de l’injecteur. Ces résidus ont tendance à obstruer les injecteurs et réduire les performances de la chambre de combustion qui se retrouve sous-alimentée en carburant, ce qui peut à terme affecter les performances de la turbomachine.
Pour limiter le dépôt de résidus solides, diverses solutions ont été proposées.
Par exemple, une solution consiste à agencer un revêtement anti-cokéfaction sur la paroi interne de l’injecteur afin de réduire l’affinité entre les résidus solides et l’injecteur limitant ainsi le risque d’obturation de l’injecteur par accumulation de ces dépôts.
Il a également été proposé un injecteur comprenant un écran thermique destiné à maintenir l’injecteur à une température inférieure à la température de cokéfaction.
Ces solutions ne donnent pas entière satisfaction car l’écran thermique ou le revêtement anti-cokéfaction n’assurent pas une protection suffisante lorsque l’injecteur est soumis à de fortes températures.
Par conséquent, en l’absence de solution alternative, il est indispensable d’immobiliser l’aéronef pour procéder à un nettoyage de l’injecteur et évacuer le dépôt des résidus solides. Ceci implique donc des coûts de maintenance importants puisque l’aéronef doit être immobilisé au sol et l’injecteur démonté pour accéder à la zone dans laquelle le carburant est sujet à la cokéfaction.
Par conséquent, la présente invention a pour objectif de réduire le risque d’obturation des injecteurs de manière fiable et à moindre coût.
A cet effet, l’invention propose un injecteur de carburant pour une turbomachine d’aéronef, comprenant un corps tubulaire s’étendant entre une première extrémité configurée pour être fixée à un carter d’une chambre de combustion de la turbomachine et une deuxième extrémité comportant une buse d’éjection de carburant, le corps tubulaire comportant un canal interne de circulation de carburant s’étendant entre les première et deuxième extrémités. L’injecteur comprend en outre un dispositif de pyrolyse configuré pour chauffer des résidus de carburant dans l’injecteur.
Dans la présente demande, on entend par « pyrolyse », la dégradation des résidus solides déposés dans l’injecteur et issus notamment de la cokéfaction du carburant par augmentation de la température de ces résidus, en des résidus de plus petite taille et qui préférentiellement, n’adhèrent pas à l’injecteur.
L’injecteur de carburant selon l’invention est ainsi équipé d’un dispositif de pyrolyse. Le dispositif de pyrolyse est capable, en temps voulu, d’augmenter la température des résidus solides présents dans l’injecteur et issus par exemple de la cokéfaction du carburant jusqu’à provoquer la dégradation de ces résidus. Le dispositif de pyrolyse étant intégré à l’injecteur, il n’est plus nécessaire de procéder à une étape de démontage de l’injecteur pour procéder à son nettoyage.
L’injecteur de carburant selon l’invention permet donc de limiter la concentration de résidus solides et donc de réduire, voire de supprimer les risques d’obturation de l’injecteur à moindre coût et de manière fiable. Les performances de la chambre de combustion, et de manière plus générale, de la turbomachine, sont ainsi améliorées.
L’injecteur 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 corps tubulaire comprend un coude, le dispositif de pyrolyse étant agencé au niveau du coude et/ou de la deuxième extrémité,
- l’injecteur comprend en outre une enveloppe externe agencée autour du corps tubulaire et délimitant autour de ce corps tubulaire un canal externe de circulation de carburant,
- le dispositif de pyrolyse est configuré pour chauffer les résidus de carburant dans le canal interne et/ou le canal externe,
- le dispositif de pyrolyse est électrique,
- le dispositif de pyrolyse comprend au moins une bobine d’induction ou au moins une résistance chauffante,
- le dispositif de pyrolyse comprend une conduite de circulation d’un fluide de chauffage,
- le dispositif de pyrolyse est configuré pour chauffer les résidus de carburant à une température supérieure ou égale à 450°C.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant au moins un injecteur.
L’invention concerne également un procédé de nettoyage d’un injecteur comprenant les étapes suivantes, réalisées dans l’ordre chronologique :
- (a) mise en fonctionnement de la turbomachine; pendant l’étape (a), le dispositif de pyrolyse étant à l’arrêt ;
- (b) mise à l’arrêt de la turbomachine et purge de l’injecteur ;
- (c) mise en fonctionnement du dispositif de pyrolyse pour chauffer des résidus de carburant dans l’injecteur.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Description détaillée de l'invention
Un exemple de turbomachine 1 d’aéronef est représenté sur la figure 1. La turbomachine 1 comprend un moteur à turbine à gaz s’étendant le long d’un axe X.
Le moteur présente d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz F le long de l’axe X, une soufflante 2, au moins un compresseur tel qu’un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, au moins une turbine telle qu’une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7, et une tuyère 8.
Dans l’exemple particulier de la figure 1, le rotor de la turbine basse pression 7 est relié à la soufflante 2 et au rotor du compresseur basse pression 3 par un arbre basse pression 10. Le rotor de la turbine haute pression 6 est quant à lui relié au rotor du compresseur haute pression 4 par un arbre haute pression 9. L’arbre basse pression 10 est agencé à l’intérieur de l’arbre haute pression 9 de manière coaxiale et s’étend le long de l’axe X.
La soufflante 2 permet l’aspiration d’un flux d’air se divisant en un flux primaire F1 et un flux secondaire F2. Le flux primaire F1 traverse le moteur de la turbomachine 1 tandis que le flux secondaire F2 est dirigé vers une veine secondaire.
Le flux primaire F1 est comprimé au sein du compresseur basse pression 3 puis du compresseur haute pression 4. L’air comprimé est ensuite mélangé à un carburant et brulé au sein de la chambre de combustion 5. Les gaz formés par la combustion traversent les turbines haute pression 6 et basse pression 7. Les gaz s’échappent enfin au travers de la tuyère 8 dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion.
La chambre de combustion 5 représentée par exemple sur la figure 2 présente une forme annulaire autour de l’axe X délimitée radialement par un carter annulaire externe 11a et un carter annulaire interne 11b. La chambre de combustion 5 est par ailleurs délimitée intérieurement par des parois annulaires externe 12a et interne 12b coaxiales réunies en amont par une paroi annulaire de fond 13 de chambre. La paroi annulaire de fond 13 de la chambre de combustion 5 est communément appelée fond de chambre 13.
La chambre de combustion 5 comprend par ailleurs au moins un injecteur 14 de carburant destiné à alimenter la chambre de combustion 5 en carburant.
L’injecteur 14 est par exemple fixé sur le carter annulaire externe 11a et traverse la chambre de combustion 5 à travers un orifice ménagé dans le carter annulaire externe 11a et débouche dans le fond de chambre 13.
Plus particulièrement, l’injecteur 14 comprend un corps tubulaire 15 de forme allongé s’étendant selon un axe d’allongement Y. Le corps tubulaire 15 est généralement formé d’un matériau métallique.
Le corps tubulaire 15 s’étend dans la chambre de combustion 5 entre une première extrémité 15a et une deuxième extrémité 15b opposée à la première extrémité 15a. La deuxième extrémité 15b comporte une buse d’éjection 16 qui débouche dans le fond de chambre 13.
Le corps tubulaire 15 s’étend transversalement par rapport à l’axe de révolution de la chambre de combustion 5 et comprend à sa deuxième extrémité un coude 23 permettant à la buse d’éjection 16 de s’étendre sensiblement parallèlement à l’axe de révolution de la chambre de combustion 5.
La première extrémité 15a est fixée au carter annulaire externe 11a de la chambre de combustion 5 au moyen d’une bride annulaire 30 fixée par des vis 31. Elle comprend un orifice d’alimentation par lequel le carburant est délivré. Le carburant circule au sein d’un canal interne 17 du corps tubulaire 15 entre la première extrémité 15a et la deuxième extrémité 15b pour être injecté dans le fond de chambre 13 au travers de la buse d’éjection 16.
Comme visibles sur figures 3 à 5, optionnellement, l’injecteur 14 comprend une enveloppe externe 21 agencée autour du corps tubulaire 15 et délimite autour du corps tubulaire 15 un canal externe 22 de circulation du carburant. L’injecteur 14 peut ainsi selon l’invention, comprendre plusieurs canaux 17, 22 dans lesquels circule le carburant pour être injecté, via la buse d’éjection 16 dans le fond de chambre 13.
L’injecteur 14 peut comprendre en outre un écran thermique d’air 19 agencé dans l’enveloppe externe 21.
L’injecteur 14 peut également comprendre un écran thermique de cokéfaction 20 agencé sur la paroi interne de l’enveloppe externe 21.
Les écrans thermique 19, 20 permettent respectivement de limiter la température du carburant circulant dans le canal externe 22 et le canal interne 17.
A partir d’une certaine température, le carburant dans l’injecteur 14 peut subir une cokéfaction qui entraine le dépôt de résidus pouvant obstruer à terme l’injecteur 14.
A cet effet, selon l’invention, l’injecteur 14 comprend en outre un dispositif de pyrolyse 18 configuré pour chauffer les résidus de carburant dans l’injecteur 14. Préférentiellement, le dispositif de pyrolyse 18 est configuré pour chauffer les résidus de carburant à une température supérieure ou égale à 450°C, par exemple à une température de 455°C, 500°C ou supérieure. Une telle température permet de dégrader les résidus solides issus par exemple de la cokéfaction du carburant et empêcher l’obstruction de l’injecteur 14.
Le dispositif de pyrolyse 18 est disposé à l’intérieur de l’injecteur 14 et préférentiellement au niveau du coude 23 et/ou de la deuxième extrémité 15b et/ou de la buse d’éjection 16. En effet, le coude 23 et la deuxième extrémité 15b de l’injecteur 14 sont situés en partie dans le fond de chambre 13 et sont donc soumis à une forte température qui favorise la cokéfaction du carburant. La concentration de résidus solides est par conséquent importante dans le coude 23, la deuxième extrémité 15b de l’injecteur 14 et la buse d’éjection 16.
Le dispositif de pyrolyse 18 est configuré pour chauffer les résidus de carburant déposés dans le canal interne 17 et/ou dans le canal externe 22. Par exemple, le dispositif de pyrolyse 18 est agencé autour de l’enveloppe externe 21 et/ou autour du corps tubulaire 15. Le dispositif de chauffage peut être disposé dans le canal interne 17 et/ou dans le canal externe 22. Le dispositif de pyrolyse 18 peut également être agencé ou s’étendre dans la buse d’éjection 16.
Le dispositif de pyrolyse 18 est alimenté par un dispositif d’alimentation 27 intégré par exemple dans une structure de support de la chambre de combustion 5. Le dispositif d’alimentation 27 comprend par exemple un circuit de commande permettant de mettre en marche ou en arrêt le dispositif de pyrolyse 18.
Le dispositif de pyrolyse 18 est par exemple électrique.
Selon un premier mode de réalisation, représenté par exemple sur la figure 3, dans lequel le dispositif de pyrolyse 18 est électrique, le dispositif de pyrolyse 18 comprend une bobine 24 de chauffage par induction. La bobine 24 est par exemple agencée dans le canal externe 22. La bobine 24 s’étend le long du coude 23.
Selon un second mode de réalisation, représenté par exemple sur la figure 4, dans lequel le dispositif de pyrolyse 18 est électrique, le dispositif de pyrolyse 18 comprend au moins une résistance chauffante 25. La résistance chauffante 25 est disposée dans le canal externe 22, par exemple autour du corps principal 15, et s’étend le long du coude 23.
Selon un troisième mode de réalisation, représenté par exemple sur la figure 5, le dispositif de pyrolyse 18 comprend au moins une conduite 26 de circulation d’air chaud disposée dans l’enveloppe externe 21 et s’étendant entre la première extrémité 15a et la deuxième extrémité 15b. L’air chaud est par exemple prélevé dans le moteur de la turbomachine 1 ou à partir d’un dispositif de chauffage d’air comprenant un bruleur et acheminé dans la conduite 26 via le dispositif d’alimentation 27.
Un procédé de nettoyage de l’injecteur 14 va maintenant être décrit sur la base de la figure 6.
Le procédé comprend une première étape (a) de mise en fonctionnement de la turbomachine 1. Pendant cette étape, le dispositif de pyrolyse 18 est à l’arrêt afin de ne pas favoriser la formation de résidus de carburant par cokéfaction lors du fonctionnement de la turbomachine 1. La température du carburant dans l’injecteur est donc sensiblement égale ou légèrement inférieure à la température régnant à l’intérieur de la chambre de combustion 5. Pendant cette étape le carburant subit une cokéfaction et des résidus solides se déposent donc dans l’injecteur 14.
Puis, durant une étape (b), la turbomachine 1 est mise à l’arrêt et le carburant présent dans l’injecteur 14 est purgé, préférentiellement totalement purgé.
Le procédé comprend alors une étape (c) de mise en fonctionnement du dispositif de pyrolyse 18. Pendant cette étape, le dispositif de pyrolyse 18 chauffe les résidus de carburant dans l’injecteur 14 jusqu’à une température d’au moins 450°C par exemple et préférentiellement à une température de 455°C ou 500°C ou plus. Cela permet de dégrader les résidus de carburant et de limiter voire de s’affranchir des risques d’obstruction de l’injecteur 14. Suite au nettoyage de l’injecteur par pyrolyse, l’étape (a) est à nouveau réalisée. Le carburant circule à nouveau dans l’injecteur 14 ce qui permet d’évacuer les résidus ayant été dégradés par pyrolyse. Les étapes (a) à (c) peuvent être répétées n fois durant toute la vie de la turbomachine 1.
Il est ainsi possible de nettoyer l’injecteur 14 par pyrolyse sans démontage de l’injecteur 14 de manière rapide et efficace dès l’arrêt de la turbomachine 1. Le dispositif de pyrolyse 18 est intégré à l’injecteur 14 et est par conséquent peu encombrant. Aussi, il ne nécessite pas de modifications de conception conséquente de l’injecteur 14 est peut donc être facilement intégré.
Claims (10)
- Injecteur (14) de carburant pour une turbomachine (1) d’aéronef, comprenant un corps tubulaire (15) s’étendant entre une première extrémité (15a) configurée pour être fixée à un carter (11a) d’une chambre de combustion (5) de la turbomachine (1) et une deuxième extrémité (15b) comportant une buse d’éjection (16) de carburant, le corps tubulaire (15) comportant un canal interne (17) de circulation de carburant s’étendant entre les première (15a) et deuxième extrémités (15b), caractérisé en ce que l’injecteur (14) comprend en outre un dispositif de pyrolyse (18) configuré pour chauffer des résidus de carburant dans l’injecteur (14).
- Injecteur (14) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps tubulaire (15) comprend un coude (23), le dispositif de pyrolyse (18) étant agencé au niveau du coude (23) et/ou de la deuxième extrémité (15b).
- Injecteur (14) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une enveloppe externe (21) agencée autour du corps tubulaire (15) et délimitant autour de ce corps tubulaire (15) un canal externe (22) de circulation de carburant.
- Injecteur (14) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de pyrolyse (18) est configuré pour chauffer les résidus de carburant dans le canal interne (17) et/ou le canal externe (22).
- Injecteur (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de pyrolyse (18) est électrique.
- Injecteur (14) selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de pyrolyse (18) comprend au moins une bobine d’induction (24) ou au moins une résistance chauffante (25).
- Injecteur (14) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif de pyrolyse (18) comprend une conduite de circulation (26) d’un fluide de chauffage.
- Injecteur (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de pyrolyse (18) est configuré pour chauffer les résidus de carburant à une température supérieure ou égale à 450°C.
- Turbomachine (1) d’aéronef, comprenant au moins un injecteur (14) selon l’une des revendications 1 à 8.
- Procédé de nettoyage d’un injecteur (14) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes suivantes, réalisées dans l’ordre chronologique :
(a) mise en fonctionnement de la turbomachine (1) selon la revendication 9 ; pendant l’étape (a), le dispositif de pyrolyse (18) étant à l’arrêt ;
(b) mise à l’arrêt de la turbomachine (1) et purge de l’injecteur (14) ;
(c) mise en fonctionnement du dispositif de pyrolyse (18) pour chauffer des résidus de carburant dans l’injecteur (14).
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