FR3114866A1 - Système d’injection de carburant dans une chambre de combustion centrifuge - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système d’injection (2) de carburant dans une chambre de combustion centrifuge (18) (1) comprenant :- une roue d’injection (14) configurée pour injecter du carburant dans la chambre de combustion centrifuge (18) ; et- une rampe d’alimentation (20) configurée pour alimenter en carburant la roue d’injection (14) présentant une face externe (21) au moins un joint d’étanchéité dynamique (26) comprenant une série de dents (27) s’étendant depuis une face externe (21) de la rampe d’alimentation (20) en direction d’une la face interne (15) de la roue d’injection (14). La face interne (15) de la roue d’injection (14) comprend par ailleurs au moins une irrégularité de surface (30) configurée pour modifier une composante radiale (Vr) d’une vitesse d’un fluide circulant au niveau du joint d’étanchéité dynamique (26). Figure pour l’abrégé : Fig. 4a

Description

Système d’injection de carburant dans une chambre de combustion centrifuge
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine des chambres de combustion centrifuges dans une turbomachines, en particulier d'aéronef, et concerne plus particulièrement les systèmes d'injection de carburant dans ces chambres de combustion.
ETAT DE LA TECHNIQUE
En référence à la figure 1, certaines turbomachines 1, comme par exemple les turbomoteurs, comprennent un générateur de gaz 10 comprenant un arbre rotatif 12, une chambre de combustion centrifuge 18 et un système d’injection 2.
Le système d’injection 2 comprend une roue d'injection 14’ montée sur l’arbre 12 et est donc elle-même rotative. La roue d’injection 14’ présente une pluralité d'orifices 16 qui débouchent dans une chambre de combustion 18. De cette façon la roue d'injection, lors de sa rotation, pulvérise du carburant par centrifugation dans la chambre de combustion 18. En référence à la figure 2, la turbomachine comprend également une rampe d’alimentation 20 en carburant, qui est une pièce fixe de révolution montée autour de l'arbre 12 du générateur de gaz 10. La rampe d’alimentation 20 achemine du carburant jusqu'à la roue d'injection. Ainsi, la rampe d’alimentation 20 comprend un circuit interne 22 de carburant qui débouche dans une cavité 24 ou chambre annulaire de pulvérisation. Pour assurer l'étanchéité entre la roue d'injection 14’ et la rampe d’alimentation 20, une pluralité de joints dynamiques 26 tels que des joints labyrinthes sont prévus. Ce type de joint 26, bien connu de l’état de la technique, comprend des dents annulaires (ou léchettes) portées par l’une de la rampe d’alimentation 20 et de la roue d’injection 14’ et frottant sur une partie annulaire abradable de l’autre de la roue d’injection 14’ et de la rampe d’alimentation 20.
Or, il arrive souvent qu’un dépôt solide de coke se forme entre les dents annulaires du joint, entrainant de ce fait l'apparition de frottements entre la roue d'injection 14’ et la rampe 20 d’alimentation. Les frottements peuvent s'aggraver jusqu'à entrainer le blocage complet de l'arbre du générateur de gaz ; il n'est alors plus possible de démarrer le moteur.
Dans le cas de difficultés de démarrage, les opérateurs réalisent des opérations de recherche de pannes décrites dans un manuel de maintenance de la turbomachine. Ces recherches sont généralement longues et peu efficaces, puisqu'il faut passer un temps parfois important avant de détecter la cause des difficultés de démarrage, en l'espèce une cokéfaction au niveau des joints dynamiques (de nombreuses autres causes étant envisageables). Une fois la cause identifiée, il faut procéder soit au nettoyage de la rampe sur moteur, soit au démontage de la rampe pour nettoyage ou remplacement. Ces opérations impliquent une indisponibilité imprévue de la turbomachine, et donc de l'aéronef dans lequel elle est installée, qui peuvent en outre nécessiter d'annuler une ou plusieurs missions de vol prévues. Ces opérations représentent donc un coût important.
On comprend ainsi qu’il est donc important de limiter la formation de coke au niveau des joints annulaires réalisant l’étanchéité entre la roue d’injection et la rampe d’alimentation.
Il a déjà été proposé de modifier le joint dynamique et la circulation de l’air dans le joint afin de le rendre plus robuste. Toutefois, une telle modification est difficile à mettre au point, compte-tenu de phénomènes diphasiques transitoires qui sont complexes difficiles à modéliser et appréhender.
Il a également été proposé de modifier la zone d’injection du carburant dans la chambre de combustion afin de l’éloigner du joint dynamique. Toutefois, une telle modification implique de refaire d’importants essais de certification, ce qui est lourd et coûteux.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités de l’art antérieur. Plus précisément, un objectif de l’invention est de proposer une solution permettant de réduire les risques de cokéfaction du carburant à l’interface entre la rampe d’alimentation et la roue d’injection d’un système d’injection pour une chambre de combustion centrifuge, qui soit efficace, facile à mettre en place et d’un coût modéré, sans pour autant nécessiter le renouvellement des essais de certification de la turbomachine.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un système d’injection de carburant dans une chambre de combustion centrifuge d’une turbomachine comprenant :
- une roue d’injection configurée pour injecter du carburant dans la chambre de combustion centrifuge, ladite roue d’injection étant mobile en rotation autour d’un axe de rotation et présentant une face interne sensiblement cylindrique de révolution ; et
- une rampe d’alimentation configurée pour alimenter en carburant la roue d’injection, la rampe d’alimentation présentant une face externe et au moins un joint d’étanchéité dynamique comprenant une série de dents s’étendant depuis la face externe de la rampe d’alimentation en direction de la face interne de la roue d’injection.
De plus, la face interne de la roue d’injection comprend au moins une irrégularité de surface, ladite irrégularité de surface étant configurée pour modifier une composante radiale d’une vitesse d’un fluide circulant au niveau du joint d’étanchéité dynamique.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du système d’injection selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- l’au moins une irrégularité de surface comprend une protubérance s’étendant depuis la face interne en direction de la face externe de la rampe d’alimentation ;
- la protubérance comprend une nervure annulaire ;
- une épaisseur de la protubérance, suivant une direction radiale par rapport à l’axe de rotation, augmente progressivement lorsqu’on parcourt la protubérance dans un sens inverse par rapport à un sens de rotation de la roue d’injection autour de l’axe de rotation jusqu’à un sommet, puis diminue de manière abrupte ;
- un angle formé entre la face interne de la roue d’injection et le sommet de la protubérance, au niveau d’une extrémité de la protubérance, est très petit devant un angle formé entre la face interne de la roue d’injection et le sommet de la protubérance, au niveau d’une extrémité opposée de la protubérance ;
- l’au moins une irrégularité de surface comprend une dépression formée dans la face interne de la roue d’injection ;
- la dépression comprend une rainure annulaire ;
- le joint d’étanchéité dynamique comprend au moins deux dents séparées par une gorge, l’au moins une irrégularité de surface étant formée en face de la gorge ; et/ou
- l’au moins une irrégularité de surface s’étend en amont du joint d’étanchéité dynamique/
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une turbomachine comprenant une chambre de combustion centrifuge et un système d’injection selon le premier aspect.
DESCRIPTION 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 :
La figure 1 est un schéma général d’une turbomachine équipée d’un système d’injection conforme à l’invention comprenant une roue d’injection et une chambre de combustion annulaire ;
La figure 2 représente de manière schématique le principe de fonctionnement d’une turbine à gaz équipée d’une roue d’injection de carburant ;
La figure 3 est une vue en coupe sur laquelle est représentée la norme de la vitesse du fluide au sein d’un exemple de système d’injection conforme à l’art antérieur ;
La figure 4a est une vue en coupe qui illustre schématiquement un exemple de système d’injection conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ;
La figure 4b est une vue en coupe qui illustre schématiquement un exemple de système d’injection conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention ; et
La figure 5 illustre un exemple de forme d’irrégularité pouvant être réalisé sur la face interne d’une roue d’injection d’un système d’injection conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Un système d’injection 2 de carburant dans une chambre de combustion centrifuge 18 d’une turbomachine 1 comprend :
- une roue d’injection 14 configurée pour injecter du carburant dans la chambre de combustion centrifuge 18 ; et
- une rampe d’alimentation 20 configurée pour alimenter en carburant la roue d’injection 14.
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des gaz dans la turbomachine 1, et donc dans le système d’injection 2. Par ailleurs, on appelle axe X de la turbomachine 1 (visible sur la figure 1), l'axe X autour duquel est disposé le système d’injection 2, qui correspond à l’axe X de rotation de la roue d’injection 14 et à l’axe de la chambre centrifuge 18. Une direction axiale correspond à la direction de l'axe X, une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe X et passant par lui. Par ailleurs, une direction circonférentielle (ou latérale) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne et externe, respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.
La rampe d’alimentation 20 en carburant comprend un circuit interne 22 de carburant comportant des moyens de sortie de carburant fournissant du carburant à une chambre de pulvérisation 24. La rampe d’alimentation 20 est fixe par rapport au carter de la turbomachine. Le carburant est acheminé par la rampe d’alimentation 20 jusqu’à la chambre de pulvérisation 24, où il est entrainé dans la roue d’injection 14 sous l’effet de son mouvement de rotation. Le carburant est ensuite pulvérisé dans la chambre de combustion 18 par centrifugation résultant du mouvement de rotation de la roue d’injection 14.
La rampe d’alimentation 20, le circuit interne 22 et la chambre de pulvérisation 24 étant conventionnels, ils ne seront pas davantage détaillés ici.
La roue d’injection 14 est mobile en rotation autour de l’axe X et présente une face interne 15 sensiblement cylindrique de révolution. La rampe d’alimentation 20 présente une face externe 21, sensiblement cylindrique de révolution, et au moins un joint d’étanchéité 26 dynamique comprenant une série de dents 27 s’étendant depuis la face externe 21 de la rampe d’alimentation 20 en direction de la face interne 15 de la roue d’injection 14, lesdites dents 27 étant séparées deux à deux par des gorges 28. La face interne 15 de la roue d’injection 14 correspond à la partie de la roue d’injection 14 qui fait face à la face externe 21 de la rampe d’alimentation 20, en regard du joint d’étanchéité 26 dynamique.
Afin de réduire les risques de cokéfaction de carburant liquide à l’interface entre la rampe d’alimentation 20, fixe, et la roue d’injection 14, mobile, l’invention propose d’utiliser la roue d’injection 14 afin de convertir une part (très faible) de la vitesse tangentielle Vt du fluide (comprenant de l’air et du carburant liquide) inhérente à la rotation de la roue (typiquement de l’ordre de 150 m/s à 200 m/s) en vitesse radiale Vr (de l’ordre 3 à 5 m/s) afin d’entretenir une circulation du fluide au niveau du joint dynamique 26 et ainsi supprimer les recirculations et zones de stagnation propices à la formation d’un dépôt de coke. En effet, comme cela est visible sur la figure 3 qui illustre la norme de la vitesse du fluide au sein d’un système d’injection 2 conforme à l’art antérieur, au sein des gorges 28 délimitées entre deux dents 27 adjacentes du joint dynamique 26, la norme de la vitesse du fluide est très faible (typiquement inférieure à 20 m/s), ce qui favorise la stagnation de carburant liquide au sein des gorges 28 et donc la formation de coke.
Afin de limiter les risques de cokéfaction, la face interne 15 de la roue d’injection 14 comprend au moins une irrégularité de surface 30 configurée pour modifier une composante radiale Vr de la vitesse du fluide circulant au niveau du joint dynamique 26. La vitesse du fluide circulant au niveau des joints n’est alors plus uniquement tangentielle et présente une composante tangentielle Vt et une composante radiale Vr, la composante tangentielle Vt étant très grande devant la composante radiale Vr. L’existence de cette composante radiale Vr de la vitesse du fluide permet toutefois d’éviter la stagnation de carburant liquide au sein des gorges 28 et, le cas échéant, d’évacuer les éventuelles prémices de coke en cours de formation. Les risques que l’interface entre la roue d’injection 14 et la rampe d’alimentation 20 soit bouchée et bloque la rotation de la roue d’injection 14 par rapport à la rampe d’alimentation 20 sont donc fortement réduits, sans modifier la zone d’injection du carburant dans la chambre de combustion centrifuge 18.
Dans une première forme de réalisation, l’irrégularité de surface 30 est formée en face de la ou des gorges 28 formées entre deux dents 27 adjacentes. Par exemple, lorsque le joint dynamique 26 comprend trois dents 27 séparées deux à deux par une gorge 28, la face interne 15 de la roue d’injection 14 peut comprendre une irrégularité de surface 30 en face de chaque gorge 28 (soit deux irrégularités de surface 30, ou une irrégularité de surface 30 s’étendant devant les deux gorges 28, comme cela est représenté dans l’encadré de la figure 4a). Une telle configuration permet ainsi de réduire, voire supprimer, la stagnation du carburant liquide au sein du joint d’étanchéité 26 et d’évacuer le cas échéant le coke en cours de formation.
Dans une deuxième forme de réalisation (encadré Fig. 4b), l’irrégularité de surface 30 s’étend en amont du joint dynamique 26. Une telle configuration permet ainsi de réduire, voire supprimer, la stagnation du carburant liquide en amont du joint d’étanchéité 26 et d’évacuer le cas échéant le coke en cours de formation.
Dans une troisième forme de réalisation, la face interne 15 de la roue d’injection 14 comprend à la fois une ou plusieurs irrégularités de surface 30 en face des dents 27 du joint dynamique 26 et une ou plusieurs irrégularités de surface 30 en amont du joint dynamique 26, afin de réduire, voire supprimer, la stagnation du carburant liquide en amont et au sein du joint d’étanchéité 26 et d’évacuer le cas échéant le coke en cours de formation dans ces zones.
Quelle que soit la forme de réalisation, la ou les irrégularités de surface présentent une dimension radiale (mesurée suivant un axe radial par rapport à l’axe X) au moins égale à un jeu entre un sommet des dents 27 et la surface interne 15 de la roue d’injection 14. Par exemple, la dimension radiale peut être supérieure ou égale à 0,5 mm et inférieure ou égale à 2,0 mm.
Afin d’assurer une réduction de la stagnation du carburant à l’interface entre la rampe d’alimentation 20 et la roue d’injection 14, la ou les irrégularités de surface 30 sont configurées pour convertir une partie de la vitesse tangentielle Vt en vitesse radiale Vr de sorte que la vitesse radiale obtenue soit suffisante pour évacuer du carburant (typiquement, une vitesse radiale de l’ordre de 1 m/s).
La ou les irrégularité(s) de surface 30 peuvent être continue(s) ou discontinue(s) le long de la circonférence de la roue d’injection 14. De préférence, la ou les irrégularité(s) de surface 30 son continue(s) sur toute la circonférence de la roue d’injection 14.
Dans un premier mode de réalisation, l’irrégularité de surface 30 comprend une protubérance 30 s’étendant depuis la face interne 15 de la roue d’injection 14 en direction de la face externe 21 de la rampe d’alimentation 20.
La protubérance 30 peut par exemple comprendre une nervure annulaire.
Dans une forme de réalisation (illustrée sur la figure 5 de manière schématique), la protubérance 30 (le cas échéant, la nervure) présente une section dans un plan radial à l’axe X ayant la forme globale d’un triangle rectangle, l’hypoténuse 31 du triangle reliant les extrémités opposées de la protubérance 30 et s’étendant circonférentiellement dans le prolongement de la face interne 15, le grand côté 32 du triangle correspondant à la face de la protubérance 30 qui traverse le fluide en premier lors de la rotation de la roue d’injection 14 et le petit côté 33 du triangle correspondant à la face de la protubérance 30 qui traverse le fluide en dernier lors de ladite rotation. On comprendra que, la roue d’injection 14 étant annulaire, l’hypoténuse 13 est en pratique sensiblement courbe, la forme triangulaire étant une approximation ici.
Ainsi, une épaisseur e (suivant une direction radiale par rapport à l’axe X de rotation) de la protubérance 30 augmente progressivement le long du grand côté 32 (lorsqu’on parcourt la protubérance 30 dans le sens inverse du sens de rotation de la roue d’injection 14 autour de l’axe X de rotation) jusqu’à un sommet 34, puis diminue de manière abrupte le long du petit côté 33. L’angle α formé entre le grand côté 32 et l’hypoténuse 31 du triangle est très petit devant l’angle β formé entre le petit côté 33 et l’hypoténuse 31, de sorte que la longueur du grand côté 32 est supérieure à la longueur du petit côté 33.
Cette forme de la protubérance 30 permet ainsi, lors de la rotation de la roue d’injection 14, de convertir une part très faible de la vitesse tangentielle Vt inhérente à la rotation de la roue en vitesse radiale Vr, grâce à la faible inclinaison du grand côté 32 de la protubérance 30.
Le cas échéant, le grand côté 32 présente un léger changement de pente 33 (voir figure 5) à partir duquel l’inclinaison du grand côté par rapport à l’hypoténuse 31 augmente en direction du sommet 34, de sorte à augmenter légèrement la composante radiale Vr de la vitesse du fluide.
Par exemple, l’épaisseur e maximale (c’est-à-dire au niveau du sommet 34) de la protubérance 30 peut être au moins égale au jeu entre le sommet des dents 27 et la surface interne 15 de la roue d’injection 14. Par exemple, l’épaisseur e maximale peut être supérieure ou égale à 0,5 mm et inférieure ou égale à 1,0 mm. L’angle formé entre l’hypoténuse 31 et le grand côté 32 de la protubérance 30 peut par ailleurs être compris entre 10° et 90°.
Dans un deuxième mode de réalisation, l’irrégularité de surface 30 comprend une dépression formée dans la face interne 15 de la roue d’injection 14. La dépression est donc formée dans l’épaisseur e de la roue d’injection 14, par opposition à la protubérance 30 qui s’étend depuis celle-ci.
Par exemple, la dépression 30 peut comprendre une rainure annulaire.
De manière analogue à la protubérance 30, dans une forme de réalisation, la dépression 30 (le cas échéant, la rainure) présente une section dans un plan radial à l’axe X ayant la forme globale d’un triangle rectangle. Toutefois, à l’inverse de la protubérance 30, le grand côté du triangle formant la dépression 30 correspond à la face de la dépression 30 qui traverse le fluide en dernier lors de la rotation de la roue d’injection 14 tandis que le petit côté du triangle correspond à la face de la dépression 30 qui traverse le fluide en premier lors de ladite rotation.
De façon similaire à la protubérance, cette forme de la dépression 30 permet ainsi, lors de la rotation de la roue d’injection 14, de convertir une part très faible de la vitesse tangentielle Vt inhérente à la rotation de la roue en vitesse radiale Vr, grâce à la faible inclinaison du grand côté 32 de la dépression 30.
Par exemple, la profondeur maximale de la dépression 30 peut être au moins égale au jeu entre le sommet des dents 27 et la surface interne 15 de la roue d’injection 14. Par exemple, l’épaisseur e maximale peut être supérieure ou égale à 0,5 mm et inférieure ou égale à 2,0 mm (dans la mesure où il n’y a pas de risque de contact avec la rampe en vis-à-vis).. L’angle formé entre l’hypoténuse et le grand côté de la dépression 30 peut par ailleurs être compris entre 10° et 90°.

Claims (10)

  1. Système d’injection (2) de carburant dans une chambre de combustion centrifuge (18) d’une turbomachine (1) comprenant :
    - une roue d’injection (14) configurée pour injecter du carburant dans la chambre de combustion centrifuge (18), ladite roue d’injection (14) étant mobile en rotation autour d’un axe (X) de rotation et présentant une face interne (15) sensiblement cylindrique de révolution ; et
    - une rampe d’alimentation (20) configurée pour alimenter en carburant la roue d’injection (14), la rampe d’alimentation (20) présentant une face externe (21) et au moins un joint d’étanchéité dynamique (26) comprenant une série de dents (27) s’étendant depuis la face externe (21) de la rampe d’alimentation (20) en direction de la face interne (15) de la roue d’injection (14),
    le système d’injection (2) étant caractérisé en ce que la face interne (15) de la roue d’injection (14) comprend au moins une irrégularité de surface (30), ladite irrégularité de surface (30) étant configurée pour modifier une composante radiale (Vr) d’une vitesse d’un fluide circulant au niveau du joint d’étanchéité dynamique (26).
  2. Système d’injection (2) selon la revendication 1, dans lequel l’au moins une irrégularité de surface (30) comprend une protubérance s’étendant depuis la face interne (15) en direction de la face externe (21) de la rampe d’alimentation (20).
  3. Système d’injection (2) selon la revendication 2, dans lequel la protubérance comprend une nervure annulaire.
  4. Système d’injection (2) selon la revendication 3, dans lequel une épaisseur (e) de la protubérance, suivant une direction radiale par rapport à l’axe (X) de rotation, augmente progressivement lorsqu’on parcourt la protubérance (30) dans un sens inverse par rapport à un sens de rotation de la roue d’injection (14) autour de l’axe (X) de rotation jusqu’à un sommet (34), puis diminue de manière abrupte.
  5. Système d’injection (2) selon la revendication 4, dans lequel un angle (α) formé entre la face interne (15) de la roue d’injection (14) et le sommet (34) de la protubérance (30), au niveau d’une extrémité de la protubérance (30), est très petit devant un angle (β) formé entre la face interne (15) de la roue d’injection (14) et le sommet (34) de la protubérance (30), au niveau d’une extrémité opposée de la protubérance (30).
  6. Système d’injection (2) selon la revendication 1, dans laquelle l’au moins une irrégularité de surface (30) comprend une dépression formée dans la face interne (15) de la roue d’injection (14).
  7. Système d’injection (2) selon la revendication 6, dans lequel la dépression comprend une rainure annulaire.
  8. Système d’injection (2) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le joint d’étanchéité dynamique (26) comprend au moins deux dents (27) séparées par une gorge (28), l’au moins une irrégularité de surface (30) étant formée en face de la gorge (28).
  9. Système d’injection (2) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle l’au moins une irrégularité de surface (30) s’étend en amont du joint d’étanchéité dynamique (26).
  10. Turbomachine (1) comprenant une chambre de combustion centrifuge (18) et un système d’injection (2) selon l’une des revendications 1 à 9.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1001223A2 (fr) * 1998-11-16 2000-05-17 Rolls-Royce Deutschland GmbH Turbine à gaz avec injection du carburant rotatif
FR3010738A1 (fr) * 2013-09-13 2015-03-20 Turbomeca Procede de surveillance d'un degre de cokefaction au niveau de joints par un arbre de generateur de gaz

Patent Citations (2)

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FR3010738A1 (fr) * 2013-09-13 2015-03-20 Turbomeca Procede de surveillance d'un degre de cokefaction au niveau de joints par un arbre de generateur de gaz

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