FR3116592A1 - Vrille pour dispositif d’injection étagé de turbomachine - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une vrille (10) pour un dispositif d’injection de chambre de combustion multipoint de turbomachine, la vrille s’étendant autour d’un axe longitudinal et comprenant une surface de vrille et une pluralité d’aubages (12) montés sur la surface de vrille et répartis radialement autour de l’axe longitudinal,chaque aubage (12) de la pluralité d’aubages délimitant avec la surface de vrille et avec l’aubage consécutif respectif un canal inter-aubage (14a, 14b), ledit canal inter-aubage (14a, 14b) s’étendant radialement vers l’intérieur depuis une extrémité d’entrée (15a, 15b) dudit canal jusqu’à une extrémité de sortie (16a, 16b) dudit canal,une première section de passage de l’extrémité de sortie (16b) d’un premier canal inter-aubage (14b) présentant une surface plus réduite qu’une deuxième section de passage de l’extrémité de sortie (16a) d’un deuxième canal inter-aubage (14a). Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

Vrille pour dispositif d’injection étagé de turbomachine

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne une vrille améliorée pour un dispositif d’injection d’une chambre de combustion de turbomachine. La vrille de l’invention est d’usage avantageux dans une chambre de combustion de type « multipoint ». L’invention concerne en outre un dispositif d’injection comprenant une telle vrille, ainsi qu’une chambre de combustion et une turbomachine comportant un tel dispositif d’injection.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les émissions d’agents polluants tels que des oxydes d’azote (notés NOx), du monoxyde de carbone (noté CO) ou encore des imbrûlés (notés CHx), produits par les turbomachines d’aéronefs civils, sont réglementées par l’Organisation de l’aviation civile internationale aussi dite OACI. On peut également mentionner, comme autres types d’émissions polluantes, les émissions de fumées ainsi que les émissions de particules fines.

Les normes évoluent régulièrement, et restreignent de plus en plus les émissions d’oxydes d’azote dans les zones aéroportuaires. Les émissions d’oxydes d’azote en cours de vol, en phase de croisière, font également l’objet d’une régulation de plus en plus stricte.

Les émissions polluantes d’une turbomachine dépendent typiquement de son cycle thermodynamique et de l’architecture de sa chambre de combustion.

Pour réduire les émissions d’agents polluants, il a été proposé une turbomachine comprenant une chambre de combustion dite « multipoint », qui est adaptée pour réaliser localement une combustion pauvre en fonctionnement plein gaz.

Une chambre de combustion de type multipoint est équipée d’un système d’injection dit « étagé ». Ce système d’injection ménage une zone (dite « zone pilote ») dont les caractéristiques permettent de réaliser une combustion stable sur tout le domaine de vol. La zone pilote est ainsi alimentée en carburant sur l’ensemble des phases de vol que traverse l’aéronef.

Le système d’injection étagé ménage une zone supplémentaire (dite « zone de décollage ») qui n’est classiquement alimentée en carburant qu’à partir de 30% de régime moteur. Dans cette zone de décollage, une combustion sous-stœchiométrique, dite également « pauvre », est réalisée ; la combustion pauvre présente une température de flamme basse, afin de limiter la formation d’agents polluants et notamment la formation des oxydes d’azote.

La zone de décollage est généralement agencée en périphérie de la zone pilote. L’injection de carburant en amont de de la zone de décollage est réalisée par une couronne présentant une pluralité d’orifices d’injection, ce qui explique l’appellation de « multipoint ». Les orifices d’injection sont répartis sur la couronne et sont disposés en rangée(s) annulaire(s).

Des systèmes d’injection de l’état de la technique comprennent au moins une vrille en amont de la zone de décollage. Une fonction de la vrille est d’entraîner de l’air sous pression, de sorte à amener cet air au niveau des orifices d’injection avec un angle d’incidence non nul. La vrille en amont de la zone de décollage est classiquement dénommée vrille principale. Cette vrille comporte une pluralité d’aubages, définissant des canaux inter-aubage pour permettre la circulation de l’air sous pression et son amenée au niveau des orifices d’injection.

L’air en sortie de vrille est mélangé à du carburant, et le mélange air/carburant ainsi formé alimente la zone de décollage de la chambre de combustion. Une combustion pauvre peut alors être mise en œuvre dans la zone de décollage à l’aide du mélange air/carburant fourni. Une telle chambre de combustion multipoint de l’état de la technique est par exemple décrite dans la demande de brevet publiée sous le numéro FR 2 996 287 A1.

Les chambres de combustion de type multipoint connues présentent l’important avantage de réduire les émissions polluantes à fort régime.

Toutefois, un inconvénient de ces chambres de combustion multipoint est leur plus forte propension à subir des instabilités de combustion. Les flammes de prémélange associées à la combustion pauvre ou sous-stœchiométrique réalisée dans la zone de décollage sont très sensibles aux fluctuations d’écoulement d’air.

L’apparition et l’ampleur de telles instabilités de combustion est difficile à prévoir au cours de la conception des chambres de combustion et de leurs systèmes d’injection, car les instabilités peuvent être causées par des phénomènes physiques en partie aléatoires, par exemple des fluctuations de richesse ou encore des instabilités hydrodynamiques. Des écoulements tourbillonnants dits PVC pour « Precessing Vortex Core », observés à proximité de l’injecteur au cours du fonctionnement de la turbomachine, sont en partie responsables des instabilités de combustion.

Les solutions de l’état de la technique visant à réduire ces instabilités de combustion, dans les zones de décollage des chambres de combustion multipoint, consistent principalement à modifier la logique de régulation d’injection de carburant dans ces zones. Il est toutefois complexe de modifier la régulation d’injection de carburant ; de nombreux essais de validation sont nécessaires pour l’homologation d’une nouvelle logique de régulation.

Les dispositifs d’injection étagés de l’état de la technique ne donnent donc pas satisfaction, car ils causent des instabilités de combustion qui doivent être compensées par des modifications complexes et coûteuses de la commande d’injection de carburant.

DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION

Au regard des considérations ci-avant, un but de l’invention est de fournir un dispositif d’injection étagé pour utilisation en association avec une chambre de combustion de type « multipoint » qui limite les instabilités de combustion au niveau de la chambre de combustion. On souhaite notamment limiter les instabilités de combustion au niveau d’une zone de décollage, tout en conservant les avantages inhérents à une combustion pauvre au niveau de la zone de décollage, en termes de réduction des émissions d’agents polluants.

Un objectif secondaire est de fournir un dispositif d’injection présentant un encombrement limité dans l’espace interne de la chambre de combustion, tout en réduisant les instabilités de combustion au niveau de la zone de décollage. La masse et l’encombrement des constituants d’une turbomachine sont en effet deux facteurs de performance importants de la turbomachine.

On recherche en outre un dispositif d’injection dont la conception mécanique demeure simple.

Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention, une vrille pour un dispositif d’injection de chambre de combustion multipoint de turbomachine, la vrille s’étendant autour d’un axe longitudinal et comprenant une surface de vrille et une pluralité d’aubages montés sur la surface de vrille et répartis radialement autour de l’axe longitudinal,
chaque aubage de la pluralité d’aubages délimitant avec la surface de vrille et avec l’aubage consécutif respectif un canal inter-aubage, ledit canal inter-aubage s’étendant radialement vers l’intérieur depuis une extrémité d’entrée dudit canal jusqu’à une extrémité de sortie dudit canal,
une première section de passage de l’extrémité de sortie d’un premier canal inter-aubage présentant une surface plus réduite qu’une deuxième section de passage de l’extrémité de sortie d’un deuxième canal inter-aubage.

Dans la vrille de dispositif d’injection selon le premier aspect de l’invention, une dissymétrie est volontairement introduite dans la conception mécanique des aubages. Deux canaux inter-aubage de la vrille présentent des extrémités de sortie respectives ayant des sections de passage de surfaces différentes. On induit ainsi volontairement des disparités dans la conception des différents canaux inter-aubage.

Ces disparités permettent de réduire les phénomènes de résonance associés à une fréquence caractéristique de l’écoulement tourbillonnant en sortie des aubages de la vrille. En cours de fonctionnement du dispositif d’injection intégrant la vrille selon l’invention, les instabilités de combustion sont fortement réduites.

La vrille selon le premier aspect de l’invention forme ainsi, du fait de sa conception mécanique, un système passif permettant de réduire, voire de supprimer, les instabilités de combustion. Il n’est avantageusement pas nécessaire de modifier la logique de régulation d’injection de carburant dans la chambre de combustion, pour limiter les instabilités de combustion. Dans le cas où la vrille de l’invention est intégrée à un dispositif d’injection étagé, les émissions d’agents polluants tels que les oxydes d’azote peuvent être réduites sans remettre en cause la stabilité de la combustion au sein de la chambre de combustion.

La vrille selon le premier aspect de l’invention est par exemple utilisée comme vrille principale d’un dispositif d’injection, pour fournir de l’air sous pression destiné à être mélangé à du carburant et amené vers la zone de décollage de la chambre de combustion. Une combustion sous-stœchiométrique ou « combustion pauvre » est réalisée dans la zone de décollage à partir du mélange air/carburant. Les émissions d’agents polluants par la turbomachine sont ainsi limitées.

Des caractéristiques optionnelles et non limitatives de la vrille définie ci-avant sont les suivantes, prises seules ou en l’une quelconque des combinaisons techniquement possibles :

- un premier ensemble de canaux inter-aubage présentent des extrémités de sortie ayant chacune une section de passage de même surface que la première section de passage, et un deuxième ensemble de canaux inter-aubage présentent des extrémités de sortie ayant chacune une section de passage de même surface que la deuxième section de passage, chaque canal inter-aubage de la vrille appartenant au premier ou au deuxième ensemble.

- les aubages sont agencés de sorte à réaliser une alternance entre un canal inter-aubage du premier ensemble et un canal inter-aubage du deuxième ensemble sur l’intégralité d’une étendue angulaire de la vrille.

- le nombre d’aubages est compris entre 10 et 30, de préférence entre 15 et 25.

- moins un aubage comprend une surface d’aube inclinée d’un angle compris entre 10° et 45° par rapport à une direction radiale contenue dans un plan transversal.

- la vrille présente une symétrie de révolution par rapport à l’axe longitudinal.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un dispositif d’injection pour une chambre de combustion multipoint de turbomachine, le dispositif d’injection comprenant :
une paroi axiale délimitant une chambre de carburant,
une pluralité d’orifices d’injection pratiqués dans la paroi axiale et configurés pour injecter du carburant depuis la chambre de carburant,
une vrille telle que définie ci-avant.

Des caractéristiques optionnelles et non limitatives du dispositif d’injection tel que défini ci-avant sont les suivantes, prises seules ou en l’une quelconque des combinaisons techniquement possibles :

- l’extrémité de sortie d’au moins un canal inter-aubage de la vrille est placée au voisinage d’un orifice d’injection.

- le nombre d’orifices d’injection est égal à la moitié du nombre d’aubages de la vrille.

- les aubages sont disposés de sorte que l’extrémité de sortie de chaque canal inter-aubage du premier ensemble ayant une section de passage de surface réduite débouche sur un orifice d’injection.

- le dispositif d’injection comprend en outre un conduit d’air configuré pour amener du carburant atomisé vers une zone de décollage située à l’intérieur d’une chambre de combustion.

- au moins un orifice d’injection débouche à l’intérieur dudit conduit d’air.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne une chambre de combustion multipoint pour une turbomachine, la chambre de combustion comprenant un dispositif d’injection tel que défini ci-avant et définissant un espace interne de combustion comprenant une zone pilote et une zone de décollage.

L’invention concerne également, respectivement selon un quatrième aspect et selon un cinquième aspect, une turbomachine, de préférence un moteur à turbine à gaz, comprenant une chambre de combustion telle que définie ci-avant, ainsi qu’un aéronef comportant une telle turbomachine.

DESCRIPTION GENERALE 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 parmi lesquels :

La est une vue schématique en coupe longitudinale d’un dispositif d’injection étagé selon un mode de réalisation, disposé dans une chambre de combustion multipoint d’une turbomachine.

La représente sur une partie gauche une vue schématique de face d’une vrille selon un exemple de réalisation de l’invention, et représente sur une partie droite une vue rapprochée d’une portion de cette vrille.

La est une vue en perspective de l’avant de la vrille de la .

La est un schéma de principe de l’atomisation du carburant et de l’écoulement du mélange air/carburant vers une zone de décollage d’une chambre de combustion multipoint, à l’aide de la vrille des Figures 2 et 3.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION

Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » se rapportent à une position le long de l’axe longitudinal L du dispositif d’injection, en respectant le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine. Lorsqu’il est fait référence à une position axiale, on se repère également sur l’axe longitudinal L du dispositif d’injection. Les termes « radialement interne » et « radialement externe » sont utilisés pour désigner les positions des différents éléments les uns par rapport aux autres dans une direction radiale par rapport à l'axe longitudinal L du dispositif d’injection.

Sur l’ensemble des figures annexées et tout au long de la description ci-après, les éléments similaires portent des références identiques.

La description ci-après concerne un dispositif d’injection 2 de type étagé, pour la fourniture d’un mélange gaz/carburant à une chambre de combustion 1 de turbomachine. Le dispositif d’injection 2 est monté sur une partie amont de la chambre de combustion 1.

La chambre de combustion 1 et le dispositif d’injection 2 font partie d’un corps de turbomachine. La turbomachine est par exemple une turbine à gaz. La turbomachine est intégrée à un aéronef.

Dans l’exemple d’une turbine à double corps, la turbomachine comprend notamment, d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante pour l’admission d’air, un compresseur basse pression (ou BP), un compresseur haute pression (ou HP), la chambre de combustion 1, une turbine haute pression, une turbine basse pression et une tuyère d’échappement.

En cours de fonctionnement de la turbomachine, le dispositif d’injection 2 est alimenté avec une partie de l’air sous pression entraîné en sortie du compresseur HP. Cet air en provenance du compresseur HP est mélangé à du carburant injecté par le dispositif d’injection, de sorte à former un mélange air/carburant. Le mélange air/carburant comprend des gouttes de carburant atomisé. De préférence, l’air sous pression en sortie du compresseur HP alimente également des espaces situés radialement vers l’extérieur de la chambre de combustion 1, pour assurer notamment le refroidissement.

Le mélange air/carburant est brûlé au sein de l’espace interne de la chambre de combustion 1, par une bougie. Après allumage de la bougie, la combustion au sein de la chambre est auto-entretenue. Des gaz de combustion en sortie de la chambre de combustion 1 alimentent la turbine HP située en aval.

Dispositif d’injection pour chambre de combustion multipoint

La est une vue en coupe longitudinale d’un dispositif d’injection 2 selon un exemple de réalisation. La représente la partie aval du dispositif d’injection 2 et la partie amont de la chambre de combustion 1 sur laquelle le dispositif d’injection 2 est disposé.

Le dispositif d’injection 2 est ici du type étagé, et participe à réaliser une combustion pauvre au sein de la chambre de combustion 1. La chambre de combustion 1 est de préférence de type « multipoint ».

La chambre de combustion 1 est ici une chambre annulaire. Il s’agit, de préférence, d’une chambre de combustion à simple tête, c’est-à-dire une chambre comportant une unique rangée circonférentielle d’injecteurs. Un espace interne de la chambre de combustion 1 est délimité par une paroi interne annulaire 4.

Le dispositif d’injection 2 est fixé sur une paroi de fond 5 de la chambre de combustion 1, du côté amont de la chambre de combustion 1, de préférence par l’intermédiaire d’un déflecteur 3.

La partie amont de l’espace interne de la chambre de combustion 1 est partagée entre une zone pilote ZP et une zone de décollage ZD s’étendant en périphérie de la zone pilote ZP.

En fonctionnement de la turbomachine, la zone pilote ZP est avantageusement alimentée en carburant de manière permanente, sur l’ensemble des phases de vol traversées par l’aéronef.

La zone de décollage ZD n’est, quant à elle, de préférence alimentée en carburant que de manière intermittente, à partir d’un régime moteur prédéterminé, par exemple à partir de 30% de régime moteur. Dans la zone de décollage ZD, une combustion sous-stœchiométrique, dite également « combustion pauvre », est préférentiellement mise en œuvre pour limiter l’émission d’agents polluants et notamment l’émission d’oxydes d’azote notés NOx.

Dans le présent exemple, la zone pilote ZP et la zone de décollage ZD de l’espace interne de la chambre de combustion 1 s’étendent en regard des bords de sortie d’une pluralité de tubes venturi concentriques du dispositif d’injection 2.

Ici, le dispositif d’injection 2 comprend, dans l’ordre croissant d’éloignement par rapport à l’axe longitudinal L du dispositif d’injection 2, un tube venturi interne 30, un tube venturi intermédiaire 32 et un tube venturi externe 34. Les trois tubes venturi sont coaxiaux.

Le tube venturi interne 30 comprend, dans une partie convergente, une sortie d’injection pilote 28. La sortie d’injection pilote 28 est prévue pour injecter un carburant pilote CP en provenance d’un circuit d’injection pilote (ce dernier étant seulement partiellement visible sur la ). Une partie divergente du tube venturi interne 30, située en aval de la partie convergente, présente un bord divergent qui débouche sur la zone pilote ZP.

Le tube venturi interne 30 délimite, en périphérie de la sortie d’injection pilote 28, un conduit interne d’air 300. Le conduit interne d’air 300 permet la circulation d’un flux d’air dirigé vers l’aval, qui emporte le carburant pilote CP et forme un mélange air/carburant. Ce dernier mélange est entraîné jusqu’à la zone pilote ZP de la chambre de combustion 1. Une vrille interne peut être montée à l’intérieur du conduit interne d’air 300 pour donner une composante rotative au flux d’air au sein du conduit interne d’air 300.

Le tube venturi intermédiaire 32 est monté autour du tube venturi interne 30. Une paroi axiale 22 du tube venturi intermédiaire 32 est montée sur une paroi cylindrique interne 220 et une paroi cylindrique externe 222, à une position axiale en aval des deux dites parois cylindriques.

La paroi cylindrique interne 220 s’étend autour du tube venturi interne 30. Ainsi, une partie amont d’un conduit intermédiaire d’air 320 est délimitée par la paroi cylindrique interne 220 et par le tube venturi interne 30. Cette partie amont se prolonge en une partie aval du conduit intermédiaire d’air 320, qui est délimitée radialement par le tube venturi interne 30 et par le tube venturi intermédiaire 32. Une vrille peut être prévue à l’intérieur du conduit intermédiaire d’air 320.

Le conduit intermédiaire d’air 320 fournit un flux d’air supplémentaire qui vient s’ajouter au flux d’air fourni par le conduit interne d’air 300, débouchant sur la zone pilote ZP de la chambre de combustion 1.

La paroi axiale 22 forme une partie convergente du tube venturi intermédiaire 32. De préférence, la paroi axiale 22 est de forme tronconique. La paroi axiale 22 délimite, avec la paroi cylindrique interne 220 et la paroi cylindrique 222, une chambre de carburant 20.

La chambre de carburant 20 est située axialement en amont de la paroi axiale 22. La chambre de carburant 20 est ici de forme annulaire.

Une sortie d’injection de décollage 38 est prévue pour injecter du carburant en provenance d’une conduite d’injection 40 dans la chambre de carburant 20. La conduite d’injection 40 est connectée à un réservoir de carburant (non illustré sur les figures).

Le tube venturi externe 34 est placé à une position radiale à l’extérieur du tube venturi intermédiaire 32.

Le tube venturi externe 34 se trouve face à la portion convergente tronconique du tube venturi intermédiaire 32. Le tube venturi externe 34 forme, avec une vrille principale 10 disposée sur la paroi axiale 22, un conduit externe d’air 340. La vrille principale 10 est reliée au tube venturi externe 34 par un bord aval de la vrille principale 10.

Un flux d’air A est mis en mouvement depuis le côté radialement extérieur de la vrille principale 10 vers le côté radialement intérieur de la vrille principale 10, et est distribué en sortie de la vrille principale 10. Le flux d’air A circule le long de canaux inter-aubage formés entre des aubes 12 de la vrille principale 10.

En sortie de la vrille principale 10, les canaux inter-aubage débouchent dans le conduit externe d’air 340. La zone du conduit externe d’air 340 la plus proche de l’axe longitudinal L est ici en forme de coude. La sortie de la vrille principale 10 se situe au voisinage du coude.

Les aubes 12 ne présentent pas uniquement une orientation radiale par rapport à l’axe longitudinal L. Les surfaces des aubes 12 présentent une composante tangentielle. Ainsi, un mouvement de rotation est communiqué au flux d’air A pendant son passage dans la vrille principale 10. En sortie de la vrille principale 10, un écoulement tourbillonnant (aussi dit « swirl ») est formé, ce qui optimise la formation du mélange air/carburant. L’usage de la vrille principale 10 optimise notamment la vaporisation du carburant au sein du mélange air/carburant.

Une vrille principale 10 selon un exemple de réalisation sera décrite de manière détaillée ci-après, en relation aux Figures 2 à 4.

Une pluralité d’orifices d’injection 24 traversants sont pratiqués dans la paroi axiale 22. Chacun de ces orifices d’injection 24 est traversant ; une première extrémité de chaque orifice débouche dans la chambre de carburant 20, et une deuxième extrémité de chaque orifice débouche dans le conduit externe d’air 340, plus précisément de préférence dans le coude dudit conduit d’air externe. Les orifices d’injection 24 sont également appelés « trous multipoint ».

Les orifices d’injection 24 permettent l’injection du carburant fourni à la chambre de carburant 20 par la sortie d’injection de décollage 38. Le carburant de décollage CD injecté dans le conduit d’air externe 340 via les orifices d’injection 24 se mélange au flux d’air externe A. Le mélange air/carburant ainsi réalisé est guidé vers la zone de décollage ZD de la chambre de combustion 1.

Les orifices d’injection 24 sont, de préférence, répartis régulièrement autour de l’axe longitudinal L. Comme décrit ci-après, le nombre d’orifices d’injection 24 peut être corrélé au nombre d’aubes contenues dans la vrille 10. De préférence, les orifices d’injection 24 sont orientés de sorte à éjecter le gaz vers l’extérieur de l’axe longitudinal L.

Le dispositif d’injection 2, qui comporte les orifices d’injection 24 ainsi que la sortie d’injection pilote 28, est un dispositif d’injection étagé.

Le dispositif d’injection 2 comporte en outre ici un bol 342, placé contre le bord le plus en aval du tube venturi externe 34. Le bol 342 présente une forme générale tronconique arrondie. Du côté amont, le bol 342 s’étend à l’intérieur du bord le plus en aval du tube venturi externe 34, puis le bol 342 s’élargit radialement en s’étendant vers l’aval.

De façon avantageuse, le dispositif d’injection 2 comporte en outre des trous de recirculation 36 pratiqués dans le bol 342. Les trous de recirculation 36 permettent une meilleure ventilation des gaz brûlés dans la chambre.

Le déflecteur 3 est ici monté sur le bol 342, pour fixation dudit bol sur la paroi de fond 5 de la chambre de combustion 1 (pour fixation du dispositif d’injection 2 sur la paroi de fond 5).

On notera que le tube venturi interne 30 et/ou le tube venturi intermédiaire 32 et/ou le tube venturi externe 34 pourraient alternativement avoir une forme différente de celle d’un tube venturi. En outre, le dispositif d’injection peut en alternative comporter un nombre de tubes venturi différent de trois, par exemple deux tubes venturi coaxiaux.

Vrille de distribution d’air

On a représenté sur les Figures 2 et3une vrille principale 10 selon un exemple de réalisation, respectivement vue de face et de côté. La vrille principale 10 peut être utilisée dans un dispositif d’injection de chambre de combustion, par exemple dans le dispositif d’injection 2 de la .

La vrille principale 10 s’étend autour de l’axe longitudinal L du dispositif d’injection. De préférence, la vrille principale 10 présente une symétrie de révolution autour dudit axe longitudinal L. Comme indiqué ci-avant, une fonction de la vrille principale 10 est de faire circuler un flux d’air depuis un bord radialement extérieur - repéré par rapport à l’axe longitudinal L - vers un bord radialement intérieur, en créant un écoulement tourbillonnant de l’air en sortie du bord radialement intérieur.

La vrille principale 10 comporte notamment une surface de base 17, une roue 18 et une pluralité d’aubes 12.

La surface de base 17 est ici de forme annulaire et est centrée sur l’axe longitudinal L. La surface de base 17 est par exemple fixée sur la paroi axiale 22. Les aubes de la vrille principale 10 peuvent être fixées sur la surface de base 17, ou peuvent encore être monobloc avec la surface de base 17.

La roue 18 s’étend radialement autour de l’axe longitudinal L, et s’étend ici axialement à partir de la paroi axiale 22 au moins jusqu’à la surface de base 17.

Les aubes 12 sont de préférence réparties régulièrement autour de l’axe longitudinal L, et sont fixées d’une part sur la surface de base 17 et d’autre part sur la roue 18.

Chaque aube 12 délimite ainsi un canal inter-aubage situé entre ladite aube et l’aube consécutive. Le canal inter-aubage est délimité angulairement par ces deux aubes 12, et est délimité axialement par la surface de base 17.

Chaque aube 12 comprend une première face radiale 110 et une deuxième face radiale 111, et s’étend angulairement entre ladite première face radiale et ladite deuxième face radiale. Dans le présent exemple, la deuxième face radiale 111 de chaque aube 12 est biseautée du côté radialement intérieur. Ainsi, la deuxième face radiale 111 comprend deux surfaces : une surface extérieure principale, et une surface intérieure de biseau. Dans le présent exemple, la première face radiale 110 de chaque aube 12 est quant à elle plane.

Ainsi, dans le présent exemple, chaque canal inter-aubage est délimité angulairement par une première face radiale 111 biseautée d’une aube et par une deuxième face radiale 110 plane de l’aube consécutive.

De préférence, le nombre d’aubes 12 est compris entre 10 et 30, et est encore plus préférentiellement compris entre 15 et 25. Dans le présent exemple, la vrille comporte 22 aubes au total, formant ainsi 22 canaux inter-aubage.

Sur la partie gauche de la , on a représenté une direction radiale D passant par le bord radialement extérieur 121 d’une aube 12. La direction radiale D s’étend dans le plan transversal de la perpendiculairement à l’axe longitudinal L, en passant par l’axe longitudinal L.

On a également représenté la tangente D’ à la surface d’aube 120, au niveau du point d’intersection entre la surface d’aube 120 et la direction radiale D.

L’angle α formé entre la direction radiale D et la tangente D’ dans le plan transversal est un angle d’inclinaison de la surface d’aube 12. Comme visible sur la , cet angle d’inclinaison est non nul ; ainsi, la surface d’aube 120 ne s’étend pas uniquement dans un plan radial, mais présente une composante tangentielle. Un avantage est de mettre en rotation un flux d’air entrant, au cours du déplacement dudit flux d’air depuis l’extérieur et vers le côté radialement intérieur.

On parle également de « calage angulaire » pour désigner l’angle α d’inclinaison de la surface d’aube 120. Le calage angulaire de la surface d’aube 120 est de préférence compris entre 5 degrés et 60 degrés, et est encore plus préférentiellement compris entre 10 degrés et 45 degrés.

Chaque canal inter-aubage s’étend radialement vers l’intérieur, depuis une extrémité d’entrée, jusqu’à une extrémité de sortie qui débouche face à la chambre de carburant 20. Les orifices d’injection 24 permettant l’injection du carburant de décollage CD, qui émergent de la chambre de carburant 20 et traversent la paroi axiale 22, font de préférence face aux extrémités de sortie de certains canaux inter-aubage.

Sur une partie droite de la , on donne une vue rapprochée d’une portion haute de la vrille principale 10. On a représenté en particulier un canal inter-aubage 14a et un autre canal inter-aubage 14b. Les canaux inter-aubage 14a et 14b sont consécutifs. Par « consécutif » on entend que le canal inter-aubage 14b suit immédiatement le canal inter-aubage 14a dans le sens des aiguilles d’une montre (selon l’orientation de la ).

Les canaux inter-aubage 14a et 14b s’étendent depuis une extrémité d’entrée respective 15a et 15b, jusqu’à une extrémité de sortie respective 16a et 16b.

La section de passage de l’extrémité de sortie 16b du canal inter-aubage 14b présente une surface plus réduite que la section de passage de l’extrémité de sortie 16a du canal inter-aubage 14a.

La « section de passage » désigne ici la section intérieure du canal inter-aubage selon un plan orthoradial.

Le canal inter-aubage 14b est ainsi plus rétréci au niveau de son extrémité de sortie 16b que le canal inter-aubage 14a au niveau de son extrémité de sortie 16a. Par conséquent, à débit d’air constant, la vitesse du flux d’air sortant du canal inter-aubage 14b est plus élevée que la vitesse du flux d’air sortant du canal inter-aubage 14a.

De façon avantageuse, la surface de la section de passage de l’extrémité de sortie 16a est plus élevée d’au moins 10% par rapport à la surface de la section de passage de l’extrémité de sortie 16b, encore plus préférentiellement d’au moins 20%.

La surface de la section de passage de l’extrémité de sortie 16a peut être égale au double de la surface de la section de passage de l’extrémité de sortie 16b, de sorte que le flux d’air en sortie du canal inter-aubage 14b est beaucoup plus rapide que le flux d’air en sortie du canal inter-aubage 14a.

De préférence, la section de passage de l’extrémité d’entrée 15b du canal inter-aubage 14b présente également une surface plus réduite que la section de passage de l’extrémité d’entrée 15a du canal inter-aubage 14a. Ici, sur toute une extension radiale du canal inter-aubage 14b, le canal inter-aubage 14b présente des sections de passage successives de surfaces plus réduites que le canal inter-aubage 14a.

On limite ainsi de manière très importante les phénomènes de résonance dus au passage de l’air dans la vrille principale 10. Les instabilités de combustion en aval de la vrille principale 10, au sein de la zone de décollage ZD de la chambre de combustion 1, sont ainsi réduites.

Dans l’exemple de la vrille principale 10 des Figures 2 et 3, un premier ensemble de canaux inter-aubage (semblables au canal inter-aubage 14b) présentent des extrémités de sortie 16b ayant chacune une section de passage réduite. Un deuxième ensemble de canaux inter-aubage (semblables au canal inter-aubage 14a) présentent des extrémités de sortie 16a ayant chacune une section de passage étendue.

Dans cet exemple, chaque canal inter-aubage de la vrille principale 10 appartient soit au premier ensemble tel que défini ci-avant, soit au deuxième ensemble tel que défini ci-avant.

De façon préférentielle, les espaces angulaires entre les aubes 12 sont choisis de sorte à réaliser une alternance entre des canaux (semblables au canal inter-aubage 14b) du premier ensemble d’une part, et des canaux (semblables au canal inter-aubage 14a) du deuxième ensemble d’autre part.

A titre d’exemple, le canal inter-aubage 14b suit le canal inter-aubage 14a dans le sens des aiguilles d’une montre, puis le canal inter-aubage suivant est un canal semblable au canal inter-aubage 14a, et ainsi de suite.

On compte ainsi le même nombre de canaux inter-aubage d’extrémité de sortie étendue que de canaux inter-aubage d’extrémité de sortie réduite.

Si la vrille principale 10 doit être utilisée dans un dispositif d’injection en remplacement d’une autre vrille connue, dont tous les canaux inter-aubages seraient identiques et présenteraient une extrémité de sortie avec une section de passage ayant une surface donnée, il est possible de dimensionner l’espace entre les aubes 12 de la vrille principale 10 de sorte que la moyenne des surfaces des sections de passage des extrémités de sortie soit égale à cette surface donnée.

Ainsi, la vrille principale 10 présente sensiblement la même perméabilité globale que ladite vrille connue. Le remplacement de ladite vrille connue par la vrille principale 10 ne modifie pas le débit global d’air sortant de la vrille. Il n’est donc avantageusement pas nécessaire de redimensionner les autres éléments du dispositif d’injection.

L’alternance entre des canaux inter-aubage 14a appartenant au premier ensemble et des canaux inter-aubage 14b appartenant au deuxième ensemble est de préférence réalisée sur toute une étendue angulaire de la vrille principale 10 autour de l’axe longitudinal L, c’est-à-dire sur un secteur angulaire de 360 degrés.

En alternative, ladite alternance entre des canaux inter-aubage 14a appartenant au premier ensemble et des canaux inter-aubage 14b appartenant au deuxième ensemble pourrait n’être réalisée que sur une partie de l’étendue angulaire de la vrille principale 10, notamment dans le cas où la zone de la paroi axiale 22 comportant des orifices d’injection 24 ne s’étendrait pas sur 360 degrés.

A titre d’illustration, on a représenté sur la le principe de l’obtention du mélange air/carburant en sortie de la vrille principale 10. La illustre la même portion haute de la vrille principale 10 que la partie droite de la .

Il est rappelé que du carburant est fourni par les orifices d’injection 24. Ce carburant de décollage CD est mélangé au flux d’air A en sortie des canaux inter-aubage de la vrille principale 10, et est présent sous forme de gouttelettes de carburant atomisé dans le mélange air/carburant. Le mélange air/carburant ainsi formé alimente la zone de décollage ZD de la chambre de combustion 1 dans laquelle le dispositif d’injection 2 est installé.

De manière avantageuse, les orifices d’injection 24 sont situés en sortie de canaux inter-aubage appartenant au premier ensemble, c’est-à-dire au voisinage des extrémités de sortie qui présentent une section de passage de surface réduite.

Ainsi, sur la , un orifice d’injection 24 est placé en sortie du canal inter-aubage 14b. On a représenté un flux d’air A1 circulant dans le canal inter-aubage 14a et un flux d’air A2 circulant dans le canal inter-aubage 14b ; la vitesse du flux d’air A2 au niveau de l’extrémité de sortie 16b est supérieure à la vitesse du flux d’air A1 au niveau de l’extrémité de sortie 16a.

Du fait que l’orifice d’injection est sélectivement placé près de l’extrémité de sortie 16b, où le flux d’air en sortie est le plus rapide, l’atomisation du carburant au sein du mélange air/carburant est bien plus efficace.

De manière encore plus avantageuse, le dispositif d’injection 2 comporte un nombre d’orifices d’injection 24 égal à la moitié du nombre de canaux inter-aubage. Dans le présent exemple, le dispositif d’injection 2 comporte ainsi 11 orifices d’injection. Les orifices d’injection 24 peuvent ainsi être régulièrement répartis autour de l’axe longitudinal L, chacun étant placé en sortie d’un canal inter-aubage dont l’extrémité de sortie présente une section de passage ayant une surface réduite.

On obtient ainsi une accélération des écoulements d’air en amont de chacun des orifices d’injection, ce qui optimise l’atomisation du carburant au sein du mélange air/carburant destiné à alimenter la zone de décollage ZD de la chambre de combustion 1.

La vrille principale 10 décrite ci-avant introduit ainsi des disparités dans le dimensionnement des différents canaux inter-aubage. La limitation des phénomènes de résonance, liés à une fréquence caractéristique des flux d’air, permet de réduire les instabilités de combustion, notamment au niveau d’une zone de décollage d’une chambre de combustion multipoint.

On notera qu’une vrille présentant des canaux inter-aubage dont des extrémités de sortie présentent des sections de passage distinctes, de façon similaire à la vrille des Figures 2 et 3, pourrait être utilisée comme vrille interne plutôt que comme vrille principale.

Claims (14)

1. Vrille (10) pour un dispositif d’injection (2) de chambre de combustion multipoint de turbomachine, la vrille s’étendant autour d’un axe longitudinal (L) et comprenant une surface de vrille (17) et une pluralité d’aubages (12) montés sur la surface de vrille (17) et répartis radialement autour de l’axe longitudinal (L),
   chaque aubage (12) de la pluralité d’aubages délimitant avec la surface de vrille (17) et avec l’aubage consécutif respectif un canal inter-aubage (14a, 14b), ledit canal inter-aubage (14a, 14b) s’étendant radialement vers l’intérieur depuis une extrémité d’entrée (15a, 15b) dudit canal jusqu’à une extrémité de sortie (16a, 16b) dudit canal, la vrille étant caractérisée en ce qu’une une première section de passage de l’extrémité de sortie (16b) d’un premier canal inter-aubage (14b) présente une surface plus réduite qu’une deuxième section de passage de l’extrémité de sortie (16a) d’un deuxième canal inter-aubage (14a).
2. Vrille (10) selon la revendication 1, dans laquelle un premier ensemble de canaux inter-aubage (14b) présentent des extrémités de sortie (16b) ayant chacune une section de passage de même surface que la première section de passage, et dans laquelle un deuxième ensemble de canaux inter-aubage (14a) présentent des extrémités de sortie (16a) ayant chacune une section de passage de même surface que la deuxième section de passage, chaque canal inter-aubage de la vrille appartenant au premier ou au deuxième ensemble.
3. Vrille (10) selon la revendication 2, dans laquelle les aubages (12) sont agencés de sorte à réaliser une alternance entre un canal inter-aubage (14a) du premier ensemble et un canal inter-aubage (14b) du deuxième ensemble sur l’intégralité d’une étendue angulaire de la vrille.
4. Vrille (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le nombre d’aubages (12) est compris entre 10 et 30, de préférence entre 15 et 25.
5. Vrille (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins un aubage (12) comprend une surface d’aube (120) inclinée d’un angle (α) compris entre 10° et 45° par rapport à une direction radiale (D) contenue dans un plan transversal.
6. Vrille (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, la vrille (10) présentant une symétrie de révolution par rapport à l’axe longitudinal (L).
7. Dispositif d’injection (2) pour une chambre de combustion multipoint de turbomachine, le dispositif d’injection comprenant :
   - une paroi axiale (22) délimitant une chambre de carburant (20),
   - une pluralité d’orifices d’injection (24) pratiqués dans la paroi axiale (22) et configurés pour injecter du carburant depuis la chambre de carburant (20),
   - une vrille (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Dispositif d’injection (2) selon la revendication 7, dans lequel l’extrémité de sortie d’au moins un canal inter-aubage de la vrille (10) est placée au voisinage d’un orifice d’injection (24).
9. Dispositif d’injection (2) selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, dans lequel le nombre d’orifices d’injection (24) est égal à la moitié du nombre d’aubages (12) de la vrille (10).
10. Dispositif d’injection (2) selon la revendication 9, dans lequel la vrille (10) est conforme à l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel les aubages (12) sont disposés de sorte que l’extrémité de sortie (16b) de chaque canal inter-aubage (14b) du premier ensemble ayant une section de passage de surface réduite débouche sur un orifice d’injection (24).
11. Dispositif d’injection (2) selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, comprenant en outre un conduit d’air (280) configuré pour amener du carburant atomisé vers une zone de décollage (ZD) située à l’intérieur d’une chambre de combustion (1), au moins un orifice d’injection (24) débouchant à l’intérieur du conduit d’air (280).
12. Chambre de combustion (1) multipoint pour une turbomachine, la chambre de combustion comprenant un dispositif d’injection (2) selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, la chambre de combustion (1) multipoint définissant un espace interne de combustion comprenant une zone pilote (ZP) et une zone de décollage (ZD).
13. Turbomachine, de préférence un moteur à turbine à gaz, comprenant une chambre de combustion (1) multipoint selon la revendication 12.
14. Aéronef comprenant une turbomachine selon la revendication 13.