FR3129691A1 - INJECTOR FOR A TURBOMACHINE - Google Patents
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Abstract
Injecteur (2) pour une turbomachine (1) comprenant un corps allongé (3) suivant un axe longitudinal (X), le corps (3) comprenant au moins un premier conduit (4) d’alimentation d’une tête de pulvérisation (5), l’injecteur (2) comprenant en outre un écran thermique (6) disposé à distance autour du premier conduit (4), caractérisé en ce que le premier conduit (4) et l’écran thermique (6) définissent entre eux une cavité (7) annulaire étanche, la cavité (7) étant radialement délimitée par une peau externe (8) du premier conduit (4) et une paroi interne (9) de l’écran (6), l’injecteur (2) comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) sur la peau externe (8) du premier conduit (4) et la paroi interne (9) de l’écran (6). Figure pour l'abrégé : 1Injector (2) for a turbomachine (1) comprising an elongated body (3) along a longitudinal axis (X), the body (3) comprising at least a first conduit (4) for supplying a spray head (5 ), the injector (2) further comprising a heat shield (6) disposed at a distance around the first duct (4), characterized in that the first duct (4) and the heat shield (6) define between them a sealed annular cavity (7), the cavity (7) being radially delimited by an outer skin (8) of the first duct (4) and an inner wall (9) of the screen (6), the injector (2) comprising at least one deposit of coked fuel (10a, 10b) on the outer skin (8) of the first duct (4) and the inner wall (9) of the screen (6). Figure for abstract: 1
Description
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
La présente invention se rapporte à un injecteur pour une turbomachine et à son procédé de fabrication.The present invention relates to an injector for a turbomachine and to its method of manufacture.
Arrière-plan techniqueTechnical background
Une turbomachine comprend classiquement un générateur de gaz comportant notamment un ou plusieurs compresseurs disposés en amont d’une chambre de combustion, suivant le sens d’écoulement des gaz au sein du générateur de gaz.A turbomachine conventionally comprises a gas generator comprising in particular one or more compressors arranged upstream of a combustion chamber, depending on the direction of flow of the gases within the gas generator.
Une chambre de combustion est alimentée en air (provenant du ou des compresseurs) via un diffuseur et en carburant via des injecteurs.A combustion chamber is supplied with air (from the compressor(s)) via a diffuser and with fuel via injectors.
Traditionnellement, chaque injecteur comprend un corps allongé (également appelé « bras » ou « canne ») qui comporte au moins un conduit d’alimentation en carburant (généralement deux conduits coaxiaux) d’une tête de pulvérisation qui débouche dans la chambre de combustion.Traditionally, each injector comprises an elongated body (also called an "arm" or "rod") which has at least one fuel supply conduit (usually two coaxial conduits) from a spray head which opens into the combustion chamber.
La combustion du mélange air/carburant est initiée par un dispositif d’allumage et engendre de fortes températures dans et au voisinage de la chambre. Les injecteurs disposés à proximité directe de la chambre sont donc particulièrement exposés aux fortes températures.The combustion of the air/fuel mixture is initiated by an ignition device and generates high temperatures in and around the chamber. The injectors arranged in direct proximity to the chamber are therefore particularly exposed to high temperatures.
Pour protéger le carburant circulant dans l’injecteur face aux fortes températures de l’espace environnant, et ainsi éviter sa cokéfaction, il est connu d’implanter une protection thermique autour du corps. Cette protection thermique peut se présenter par exemple sous la forme d’une tôle, d’une lame d’air ou d’un revêtement.To protect the fuel circulating in the injector against the high temperatures of the surrounding space, and thus prevent it from coking, it is known to install thermal protection around the body. This thermal protection can take the form, for example, of a sheet, an air gap or a coating.
La cokéfaction du carburant dépend directement de sa température. En effet, au-delà d’une température critique, le carburant s’oxyde et se cokéfie. La cokéfaction du carburant se traduit par l’apparition d’un dépôt noirâtre dans le ou les conduits, ce dépôt s’accumulant avec le temps et étant à l’origine d’un encrassement progressif de l’injecteur (notamment au niveau du coude et de la tête de pulvérisation). L’encrassement de l’injecteur dégrade l’injection (et notamment l’homogénéité de la carburation), et de manière plus générale les performances de la chambre de combustion et de la turbomachine.Fuel coking directly depends on its temperature. Indeed, beyond a critical temperature, the fuel oxidizes and cokes. The coking of the fuel results in the appearance of a blackish deposit in the duct(s), this deposit accumulating over time and being the cause of progressive fouling of the injector (in particular at the level of the elbow and spray head). The fouling of the injector deteriorates the injection (and in particular the homogeneity of the carburation), and more generally the performance of the combustion chamber and the turbomachine.
Le risque de cokéfaction du carburant est d’autant plus important durant les régimes de ralenti ou d’arrêt de la turbomachine. En effet, durant ces régimes, le débit de carburant est faible ou nul, ce qui a pour conséquence d’entrainer une exposition prolongée du carburant aux fortes températures, et par conséquent une hausse de sa température.The risk of fuel coking is all the greater during idling or turbine engine shutdown. Indeed, during these speeds, the fuel flow is low or zero, which has the consequence of causing prolonged exposure of the fuel to high temperatures, and consequently a rise in its temperature.
Le régime d’arrêt est le plus critique. En effet, lors de l’arrêt de la turbomachine, le carburant stagnant dans le ou les conduits est soumis au retour de chaleur (plus connu sous le terme anglais « soak-back »). Plus précisément, le retour de chaleur correspond au transfert de chaleur qui s’opère, depuis les pièces dites chaudes vers les pièces dites froides, dès lors que les pièces rotatives s’immobilisent. On note que le ou les conduits sont considérés comme des pièces froides car le carburant arrive dans l’injecteur à une température bien inférieure à celle de l’espace environnant.The shutdown regime is the most critical. In fact, when the turbomachine stops, the stagnant fuel in the duct(s) is subject to heat return (better known as “soak-back”). More specifically, the heat return corresponds to the heat transfer that takes place, from the so-called hot parts to the so-called cold parts, when the rotating parts stop. Note that the duct or ducts are considered cold parts because the fuel arrives in the injector at a temperature much lower than that of the surrounding space.
Pour répondre à des normes environnementales et sonores toujours plus strictes, dorénavant, les turbomachines fonctionnent davantage à des régimes de fonctionnement présentant des débits de carburant faibles, voire très faibles.To meet increasingly stringent environmental and noise standards, turbomachines now operate more at operating speeds with low, or even very low, fuel flow rates.
Il a été constaté que les moyens de protection thermiques précités ne sont pas compatibles avec un fonctionnent accru sous des régimes à faible débit tels qu’énoncés ci-dessus. En effet, il est constaté que la température du carburant se rapproche ou atteint plus souvent la température critique d’apparition de la cokéfaction, ce qui risque d’accélérer l’encrassement de l’injecteur, et par conséquent d’abaisser sa durée de vie.It has been found that the aforementioned thermal protection means are not compatible with increased operation under low flow regimes as stated above. In fact, it has been observed that the temperature of the fuel approaches or more often reaches the critical temperature for the onset of coking, which risks accelerating the fouling of the injector, and consequently reducing its service life. life.
Les motoristes cherchent donc aujourd’hui des solutions pour protéger plus efficacement le carburant s’écoulant dans l’injecteur face aux fortes températures, et ainsi permettre un fonctionnement accru de la turbomachine sous des régimes à faible débit.Engine manufacturers are therefore now looking for solutions to more effectively protect the fuel flowing in the injector against high temperatures, and thus allow increased operation of the turbomachine under low flow regimes.
L’objectif de la présente invention est donc d’apporter une solution simple, efficace et économique permettant de répondre à problématique précitée.The objective of the present invention is therefore to provide a simple, effective and economical solution making it possible to respond to the aforementioned problem.
L’invention propose ainsi un injecteur pour une turbomachine comprenant un corps allongé suivant un axe longitudinal X, le corps comprenant au moins un premier conduit d’alimentation d’une tête de pulvérisation, l’injecteur comprenant en outre un écran thermique disposé à distance autour du premier conduit,
caractérisé en ce que le premier conduit et l’écran thermique définissent entre eux une cavité annulaire étanche, la cavité étant radialement délimitée par une peau externe du premier conduit et une paroi interne de l’écran, l’injecteur comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran.The invention thus proposes an injector for a turbomachine comprising an elongated body along a longitudinal axis X, the body comprising at least a first duct for supplying a spray head, the injector further comprising a heat shield disposed at a distance around the first duct,
characterized in that the first conduit and the thermal screen define between them a sealed annular cavity, the cavity being radially delimited by an outer skin of the first conduit and an inner wall of the screen, the injector comprising at least one deposit of coked fuel on the outer skin of the first duct and the inner wall of the screen.
Une telle cavité (avec au moins un dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran) protège plus efficacement le carburant s’écoulant dans l’injecteur face aux fortes températures, au bénéfice notamment de la durée de vie de l’injecteur et d’un fonctionnement accru de la turbomachine sous des régimes à faible débit.Such a cavity (with at least one deposit of coked fuel on the outer skin of the first duct and the inner wall of the screen) more effectively protects the fuel flowing in the injector against high temperatures, in particular to the benefit of the injector life and increased turbomachinery operation under low flow regimes.
Le carburant cokéfié ou cuit (également appelé « coke ») s’avère être une protection thermique extrêmement efficace face aux sollicitations thermiques.Coked or cooked fuel (also called “coke”) proves to be an extremely effective thermal protection against thermal stresses.
En effet, premièrement, les dépôts noirâtres de carburant cokéfié sur la peau externe et la paroi interne forment une double protection contre le rayonnement thermique émis par la chambre et les pièces avoisinantes. L’opacité des dépôts s’avère redoutablement efficace pour stopper les échanges radiatifs émis par les pièces métalliques incandescentes, rayonnant fortement dans l’infrarouge.Indeed, firstly, the blackish deposits of coked fuel on the external skin and the internal wall form a double protection against the thermal radiation emitted by the chamber and the neighboring parts. The opacity of the deposits proves to be extremely effective in stopping the radiative exchanges emitted by the incandescent metal parts, radiating strongly in the infrared.
Deuxièmement, l’écran et les dépôts de carburant cokéfié forment une triple protection contre la conduction thermique.Second, the screen and coked fuel deposits form a triple shield against thermal conduction.
Troisièmement, la cavité munie des dépôts de carburant cokéfié présente une grande inertie thermique, et autrement dit une forte capacité à stocker de la chaleur tout en la restituant très progressivement. L’inertie thermique de la cavité dépend notamment du volume de la cavité et de la masse de carburant cokéfié introduite dans la cavité. Une telle inertie thermique permet plus particulièrement de protéger le carburant contre les pics de température, lors notamment d’un régime de ralenti à faible débit ou d’arrêt.Thirdly, the cavity provided with the deposits of coked fuel has a high thermal inertia, and in other words a high capacity to store heat while restoring it very gradually. The thermal inertia of the cavity depends in particular on the volume of the cavity and the mass of coked fuel introduced into the cavity. Such thermal inertia makes it possible more particularly to protect the fuel against temperature peaks, in particular during low-speed idling or stopping.
L’injecteur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- chaque dépôt de carburant cokéfié présente une épaisseur d’au moins 3mm ;
- le corps comprend un second conduit d’alimentation de la tête de pulvérisation, le second conduit étant disposé à l’intérieur du premier conduit, le second conduit définissant intérieurement un circuit primaire, les premier et second conduits définissant entre eux un circuit secondaire ;
- l’écran thermique présente une section dont la dimension maximale est au moins égale à deux fois la dimension maximale d’une section du premier conduit ;
- la cavité est longitudinalement délimitée par une bague d’étanchéité supérieure et une bague d’étanchéité inférieure disposées entre le premier conduit et l’écran.The injector according to the invention may comprise one or more of the following characteristics and/or steps, taken separately from each other or in combination with each other:
- each deposit of coked fuel has a thickness of at least 3mm;
- the body comprises a second duct for supplying the spray head, the second duct being arranged inside the first duct, the second duct internally defining a primary circuit, the first and second ducts defining between them a secondary circuit;
- The heat shield has a section whose maximum dimension is at least equal to twice the maximum dimension of a section of the first conduit;
- the cavity is longitudinally delimited by an upper sealing ring and a lower sealing ring arranged between the first duct and the screen.
La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d’un injecteur tel que décrit précédemment, le procédé comprenant chronologiquement les étapes consistant à :
a) réaliser un injecteur brut comprenant le corps, l’écran et la cavité ;
c) remplir totalement la cavité de l’injecteur brut avec du carburant liquide ;
d) étanchéifier la cavité ;
e) placer l’injecteur brut dans une enceinte chauffée à au moins 400°C et alimenter le premier conduit en air à au moins 400°C pendant au moins 5 heures, de manière à obtenir le dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran.The present invention also relates to a method for manufacturing an injector as described above, the method comprising chronologically the steps consisting in:
a) producing a raw injector comprising the body, the screen and the cavity;
c) completely filling the raw injector cavity with liquid fuel;
d) sealing the cavity;
e) placing the crude injector in an enclosure heated to at least 400°C and supplying the first duct with air at at least 400°C for at least 5 hours, so as to obtain the deposit of coked fuel on the outer skin of the first duct and the inner wall of the screen.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le procédé comprend, à la suite de l’étape e), une étape consistant à :
f) refroidir l’injecteur à température ambiante pendant au moins 5 heures ;
- le carburant liquide est non traité ;
- l’enceinte est mouvante au cours de l’étape e), de manière à assurer un brassage continu du carburant dans la cavité.The method according to the invention may comprise one or more of the following characteristics and/or steps, taken separately from each other or in combination with each other:
- the method comprises, following step e), a step consisting in:
f) cooling the injector to room temperature for at least 5 hours;
- the liquid fuel is untreated;
- the enclosure is moving during step e), so as to ensure continuous mixing of the fuel in the cavity.
La présente invention concerne également une turbomachine comprenant un injecteur tel que décrit précédemment.The present invention also relates to a turbomachine comprising an injector as described above.
Brève description des figuresBrief description of figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :The invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description given by way of non-limiting example and with reference to the appended drawings in which:
Claims (10)
caractérisé en ce que le premier conduit (4) et l’écran thermique (6) définissent entre eux une cavité (7) annulaire étanche, la cavité (7) étant radialement délimitée par une peau externe (8) du premier conduit (4) et une paroi interne (9) de l’écran (6), l’injecteur (2) comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) sur la peau externe (8) du premier conduit (4) et la paroi interne (9) de l’écran (6).Injector (2) for a turbomachine (1) comprising an elongated body (3) along a longitudinal axis (X), the body (3) comprising at least a first conduit (4) for supplying a spray head (5 ), the injector (2) further comprising a heat shield (6) arranged at a distance around the first duct (4),
characterized in that the first duct (4) and the heat shield (6) define between them a sealed annular cavity (7), the cavity (7) being radially delimited by an outer skin (8) of the first duct (4) and an internal wall (9) of the screen (6), the injector (2) comprising at least one deposit of coked fuel (10a, 10b) on the external skin (8) of the first duct (4) and the wall internal (9) of the screen (6).
a) réaliser un injecteur brut (20) comprenant le corps (3), l’écran (6) et la cavité (7) ;
c) remplir totalement la cavité (7) de l’injecteur brut (20) avec du carburant liquide (16) ;
d) étanchéifier la cavité (7) ;
e) placer l’injecteur brut (20) dans une enceinte (21) chauffée à au moins 400°C et alimenter le premier conduit (4) en air à au moins 400°C pendant au moins 5 heures, de manière à obtenir le dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) sur la peau externe (8) du premier conduit (4) et la paroi interne (9) de l’écran (6).Method of manufacturing an injector (2) according to one of the preceding claims, the method comprising chronologically the steps consisting in:
a) producing a crude injector (20) comprising the body (3), the screen (6) and the cavity (7);
c) totally filling the cavity (7) of the crude injector (20) with liquid fuel (16);
d) sealing the cavity (7);
e) placing the raw injector (20) in an enclosure (21) heated to at least 400°C and supplying the first duct (4) with air at at least 400°C for at least 5 hours, so as to obtain the deposit of coked fuel (10a, 10b) on the outer skin (8) of the first duct (4) and the inner wall (9) of the screen (6).
f) refroidir l’injecteur (2) à température ambiante pendant au moins 5 heures.Process according to Claim 6, characterized in that the process comprises, following step e), a step consisting in:
f) cooling the injector (2) to room temperature for at least 5 hours.
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2021
- 2021-11-30 FR FR2112731A patent/FR3129691A1/en active Pending
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