WO2012156631A1 - Chambre annulaire de combustion pour une turbomachine - Google Patents

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WO2012156631A1
WO2012156631A1 PCT/FR2012/051056 FR2012051056W WO2012156631A1 WO 2012156631 A1 WO2012156631 A1 WO 2012156631A1 FR 2012051056 W FR2012051056 W FR 2012051056W WO 2012156631 A1 WO2012156631 A1 WO 2012156631A1
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WO
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auger
fuel
channels
downstream
longitudinal axis
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/051056
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English (en)
Inventor
Denis Jean Maurice Sandelis
Didier Hippolyte Hernandez
Original Assignee
Snecma
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices

Definitions

  • the present invention relates to an annular combustion chamber of a turbomachine such as an airplane turbojet or turboprop.
  • An annular combustion chamber comprises two coaxial annular walls, respectively internal and external, interconnected at their upstream ends by an annular chamber bottom wall having openings in each of which is mounted a fuel injection system.
  • a conventional injection system comprises means for supporting and centering an injector head, and primary and secondary tendrils which are mounted downstream of the support means, coaxially with these means, and which deliver each of the flow streams. radial air downstream of the injector to achieve a mixture of air and fuel to be injected and burned in the combustion chamber. The air exiting the primary swirler is accelerated in a venturi sandwiched between the two tendrils. A frustoconical mixing bowl is mounted downstream of the tendrils for spraying the air / fuel mixture which enters the combustion chamber.
  • the tendrils of the injection system each comprise substantially radial channels which deliver a swirling air flow or "swirl" in English terminology.
  • these channels have a section in the form of a square or rectangle having a longitudinal axis, their upstream and downstream faces being perpendicular to this longitudinal axis and interconnected by side faces parallel to this axis.
  • the combustion chamber is equipped with an annular row of fuel injectors which extends around the longitudinal axis of the bedroom.
  • Each injector comprises one or two fuel circuits which each feed a helical channel located in the head of the injector, this helical channel for rotating the fuel around the longitudinal axis of the head and producing a sheet of fuel wherein the velocity vectors of the sprayed fuel drops are all oriented in the same direction (clockwise or anticlockwise) with respect to the longitudinal axis of the injector head and all form the same angle with respect to this longitudinal axis.
  • This angle is substantially equal to the helix angle of the aforementioned helical channel, that is to say the angle formed between a tangent line at a point of the helical channel and the longitudinal angle of the injector head.
  • each injector is engaged axially in the abovementioned support means of an injection system, these support means comprising axial air purge orifices which open radially inside the primary swirler for ventilation of the injector system. venturi.
  • the flow of air exiting these purge orifices disturbs the vortex flow of air delivered by the primary swirler, which causes turbulence and recirculation of the air-fuel mixture in the venturi and results in the deposition of soot and coke on the inner surface of the venturi.
  • This deposit can interfere with the injection of the air / fuel mixture into the chamber and locally create hot spots inside the chamber, which notably promotes the emission of harmful gases such as nitrogen oxides (NOx).
  • NOx nitrogen oxides
  • the invention aims in particular to provide a simple, effective and economical solution to this problem.
  • annular combustion chamber for a turbomachine, comprising two coaxial annular walls, respectively internal and external, connected at their upstream ends by an annular wall forming a bottom of the chamber, and an annular row of fuel injectors.
  • each injector head having at least one helical fuel passage channel for rotating the fuel around the longitudinal axis of the head, and each injection system comprising at least one twist coaxial with the nozzle head and having substantially radial air passage channels having an elongate section having an axis, characterized in that the longitudinal axes of the sections of said channels are inclined relative to the longitudinal axis of the auger, an angle which is substantially equal to the helix angle of the aforementioned helical channel of the injector head, within +/- 10 °, and are oriented in the same meaning as this channel around the longitudinal axis of the spin.
  • the axes of the sections of the channels of the tendril are thus substantially parallel, within +/- 10 °, to the velocity vectors of the drops of fuel sprayed into the injection system, which allows the air flow delivered by the auger to shearing the fuel layer by limiting recirculations of the air-fuel mixture downstream of the tendril and the risk of coke deposition on the internal surface of the venturi.
  • the axes of the sections of the channels of the auger are inclined at an angle which is substantially equal to the helix angle of the helical channel of the injector head.
  • the axes of the sections of the channels of the auger are for example inclined at an angle of between 20 and 40 ° approximately with respect to the longitudinal axis of the auger.
  • Each fuel injector may comprise a first fuel supply circuit of a helical channel and a second fuel independent supply circuit of another helical channel (outer) of greater diameter than the first helical channel (internal).
  • These fuel systems provide two cone-shaped coaxial fuel plies with different opening angles.
  • the lower opening fuel level can be optimized at engine start and for the full throttle and the second larger aperture angle can be optimized for the speed range from start to full throttle.
  • the axes of the channel sections of the auger are preferably inclined at the same angle and in the same direction as the outer helical channel for producing the larger opening angle of fuel.
  • Each channel of the tendril may have a section in the form of a square, rectangle or rhombus.
  • the auger is formed in one piece with the support means of the injection system.
  • the spin may comprise at its downstream end a cylindrical peripheral retaining rim on a venturi located downstream of the auger.
  • the channels of the tendrils are separated from each other by vanes.
  • Each of these vanes may comprise at least one through air passage orifice, which is inclined relative to the longitudinal axis of the tendril substantially at the same angle and in the same direction as the axes of the sections of the channels located from on both sides of this blade.
  • These orifices communicate with through orifices formed in the venturi for the passage of an air flow intended to flow along the outer surface of the venturi and the inner surface of the bowl.
  • each injection system comprises two tendrils, respectively upstream and downstream
  • the mixing bowl comprises at least one annular row of air passages for mixing with the fuel
  • the axes of the sections channels of the upstream tendon are inclined at the same angle and in the same direction as the helical channel of the injector head
  • the axes of the channel sections of the downstream tendon are oriented in the same direction as the helical channel of the injector head.
  • the mixing bowl has orifices of the aforementioned type, it is indeed advantageous for the air flows delivered by the tendrils to be co-current with the speed vectors of the drops of the fuel layer.
  • the angle between the axes of the downstream swirly channel sections and the longitudinal axis of the swirler may be the same as or different from that between the axis axes of the upstream swirler and the longitudinal axis.
  • each injection system comprises two tendrils, respectively upstream and downstream, and a mixing bowl devoid of air passage holes for mixing with the fuel
  • the axes of the sections of the channels of the upstream twist are inclined at the same angle and in the same direction as the helical channel of the injector head
  • the axis axes of the channels of the downstream swirler are oriented in the opposite direction to the helical channel of the head of injector around the longitudinal axis of the tendril.
  • the mixing bowl has no orifices of the aforementioned type, it is indeed advantageous for the air flow delivered by the upstream auger to be co-current with the velocity vectors of the fuel drops and the flow of air delivered by the downstream spin is against the flow of these velocity vectors, so that the air flow delivered by the downstream auger stabilizes the flame in the focus of the combustion chamber.
  • the angle between the axes of the downstream swept channel sections and the longitudinal axis of the swirler may be identical to that between the axes of the channel sections of the upstream swirler and this axis.
  • the channels of the auger are separated from each other by vanes and may be contained in a radial plane.
  • the trailing edges or radially inner ends of the vanes extending advantageously on a frustoconical surface flared downstream about the longitudinal axis of the injection system.
  • the swirling airflow delivered by the spin of the injection system is intended to sweep and ventilate the injector head and the venturi and to mix with the fuel injected into the chamber.
  • the auger thus provides in addition to its main function a function similar to that of bleeding orifices of the prior art and can therefore be considered as a "purgeuse" auger.
  • the injection system is therefore advantageously free of purge orifices of the above-mentioned type, which makes it possible to eliminate the turbulences associated with the interaction of the air flows leaving the purge orifices and the prior art twist, as well as that the risks of deposit of coke on the venturi due to these turbulences.
  • each vane of the vortex may comprise a curved surface (concave inward) and inclined from upstream to downstream outward.
  • the frustoconical surface on which the trailing edges extend has an opening angle of the order of 45 to 65 ° for example, which corresponds substantially to that of the fuel ply sprayed by the injector into the system.
  • the vanishing edges of the vanes therefore extend parallel to the outer peripheral surface of the fuel layer, which facilitates the mixing of air and fuel in the venturi.
  • the removal of the purge orifices makes it possible to reduce the number of orifices of the injection system compared with those of the prior art and to increase the diameter of the orifices remaining for a given permeability of the system (equal to the sum effective sections of the orifices and air passage channels of the system), which facilitates their machining and reduces their cost of production, and allows for a small diameter injection system for a small turbine.
  • Each injection system may comprise a venturi and a mixing bowl located downstream of the auger, the auger providing ventilation of the venturi, by guiding the airflow exiting the auger along the inner surface of the venturi.
  • the spin comprises at its downstream end a cylindrical peripheral rim hooking on the venturi.
  • Each injection system may comprise means for supporting and centering an injector head, these support means comprising an internal cylindrical surface which is intended to surround the head of the injector and which is connected to its downstream end. at the upstream end of smaller diameter of the aforementioned frustoconical surface.
  • the present invention also relates to a turbomachine, such as an airplane turbojet or turboprop engine, characterized in that it comprises an annular combustion chamber as described above.
  • FIG. 1 is a schematic half-view in axial section of a diffuser and an annular turbomachine combustion chamber according to the prior art
  • FIG. 2 is a partial diagrammatic view in axial section of a fuel injector for a turbomachine combustion chamber
  • FIG. 3 is a view on a larger scale of the injection system of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a sectional view along the line IV-IV of Figure 3;
  • FIG. 5 is a partial schematic perspective view of an injector head and an injection system for a combustion chamber according to the invention.
  • FIG. 8 is a diagrammatic view in axial section of an injection system according to the invention.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of the injection system of Figure 8, seen from upstream and side;
  • FIG. 10 is a diagrammatic perspective view of the twist of the injection system of FIG. 8, seen from downstream and from the side;
  • FIG. 1 1 is a view of the downstream face of a swirler according to an alternative embodiment of the injection system according to the invention.
  • FIG. 12 is a view corresponding to FIG. 8 and showing the alternative embodiment of the injection system of FIG. 11.
  • FIG. 1 represents an annular combustion chamber 10 of a turbomachine, such as an airplane turbojet or turboprop engine, this chamber being arranged at the outlet of a diffuser 12, itself located at the outlet of a compressor (not shown).
  • a turbomachine such as an airplane turbojet or turboprop engine
  • the chamber 10 comprises a wall of internal revolution 14 and a wall of external revolution 16 which are connected upstream by an annular wall 18 of the chamber bottom.
  • An annular shroud 20 is fixed on the upstream ends of the walls 14, 16 of the chamber and comprises openings 22 for air passage aligned with openings 24 of the wall 18 of the chamber bottom in which are mounted systems 26 of fuel injection, the fuel being supplied by injectors 28 regularly distributed around the axis of the chamber.
  • a part of the air flow 32 supplied by the compressor and leaving the diffuser 12 enters the annular enclosure defined by the shroud 20, passes into the injection system 26, and is then mixed with the fuel supplied by the injector 28 and sprayed into the combustion chamber 10.
  • Each injector 28 comprises a fuel injection head 30 engaged in an injection system 26 and aligned on the axis of an opening 24 of the chamber bottom wall 18.
  • Figure 2 shows on a larger scale the head 30 of a fuel injector 28 of the type comprising two fuel circuits, which is described in detail in the application FR-A1 -2 817 016 of the applicant.
  • the first fuel circuit of the injector 28 comprises a feed tube 34, one end of which is engaged and fixed in a cylindrical bore 36 of a cylindrical piece 38 which is itself mounted inside a sleeve 40
  • the fuel is fed through the tube into the bore 36 of the piece 38 and then circulates in helical channels 42 opening at the free downstream end of the piece 38 to rotate the fuel around the longitudinal axis XX of the injector head.
  • the free downstream end of the sleeve 40 is located downstream of the cylindrical piece 38 and comprises a fuel ejection orifice 43 whose downstream end portion has a frustoconical section to form a cone shaped fuel sheet having a aperture angle A predetermined.
  • the second fuel circuit of the injector 28 comprises a supply tube 44, coaxial with the tube 34 and of greater diameter, one end of which is engaged and fixed in a cylindrical bore 46 of the cylindrical piece 38, this bore 46 being in fluidic communication with helical channels 48 of the aforementioned sleeve 40.
  • These channels 48 are formed by external helical grooves formed on an outer cylindrical surface of the sleeve 40 and closed by a cylindrical tip 50 surrounding the cylindrical piece 38, the sleeve 40 and the downstream end portions of the tubes 34, 44.
  • the fuel is rotated about the longitudinal axis XX during its passage in the channels 48 which open at the downstream end of the sleeve 40.
  • the free downstream end of the endpiece 50 is located downstream of the sleeve 40 and comprises a fuel discharge orifice 52 coaxial with the orifice 42 and whose downstream end portion has a frustoconical section to form a cone-shaped fuel sheet having a predetermined opening angle B (B being greater than AT).
  • B being greater than AT.
  • Each sheet of fuel produced by an injector 28 is formed of a multitude of drops whose velocity vectors are substantially all oriented in the same way with respect to the longitudinal axis XX of the injector head.
  • the velocity vectors of these drops form an angle ⁇ (beta) with the axis XX, this angle ⁇ being substantially equal to the helix angle of the helical channels 42 or 48 above which deliver the fuel layer.
  • the fuel drops have a size of between 10 and 100 microns approximately.
  • An injection system 26 of the prior art comprises two coaxial tendrils, an upstream or internal swirler 54 and a downstream or external swirler 56, which are separated from one another by a venturi 58. and which are connected upstream to means 60 for supporting the head 30 of an injector 28, and downstream to a mixing bowl 62 which is mounted axially in the opening 24 of the wall 18 of the chamber bottom.
  • the tendrils 54, 56 each comprise a plurality of vanes extending substantially radially around the axis XX of the tendrils and regularly distributed around this axis to deliver swirling air flows downstream of the injection head 30.
  • the vanes delimit between them channels of air passage, which are inclined or curved around the axis XX of the tendrils.
  • the means 60 for supporting the injection head 30 comprise a ring 64 traversed axially by the injection head 30 and slidably mounted in a bushing 66 fixed to the internal swirler 54.
  • the ring 64 comprises an annular rim 68 extending radially outwardly and housed in an annular groove of the sleeve 66, the internal diameter of the groove of the sleeve 66 being greater than the outside diameter of the flange 68 of the ring 64.
  • the rim 68 of the ring 64 has purge holes 70 substantially axial for the passage of an air flow intended to sweep the head 30 of the injector to prevent flashback to the injector in operation.
  • the mixing bowl 62 has a substantially frustoconical wall flared downstream and connected at its downstream end to a cylindrical flange 72, extending upstream and axially mounted in the opening 24 of the wall 18 of the chamber bottom. The upstream end of the frustoconical wall of the bowl 62 is connected to an intermediate annular piece 74 fixed to the external swirler 56.
  • the frustoconical wall of the bowl 62 comprises an annular row of orifices 76 of air passage, extending around the axis XX.
  • the bowl 62 further comprises, in the vicinity of its rim 72, a second annular row of orifices 78 for air passage, this air being intended to impact an annular flange extending radially outwardly from the end downstream of the frustoconical wall of the bowl.
  • the venturi 58 has a substantially L-shaped cross section and comprises at its upstream end an outer annular flange 80 extending radially outwardly and interposed axially between the two swirlers 54, 56.
  • the venturi 58 extends axially towards the outside. downstream inside the external swirler 56 and separates the air flows from the internal 54 and external 56 tendrils.
  • the venturi 58 internally delimits a premix chamber in which a portion of the injected fuel mixes with the air flow delivered by the internal swirler 54, this air / fuel premix then being mixed downstream of the venturi with the flow of air coming from the external swirler 56 to form a sprayed fuel cone within the chamber.
  • the number of vanes of the internal swirler 54 is different from that of the purge orifices 70 and the angular positions of the orifices and vanes around the axis XX are defined randomly.
  • the channels of the tendrils 54, 56 each have a square-shaped or rectangle-shaped section and comprise an upstream face 86 and a downstream face 88, which are interconnected by lateral faces 90 extending parallel to each other.
  • the air flow 82 delivered by the swirler and the outflow of the purge orifices 70 intersect, which creates recirculations 84 and azimuthal heterogeneities of the air supply flow of the venturi 58, the shearing of the fuel ply. by the air flow 68 is not optimal.
  • the invention makes it possible to remedy these problems by means of an injection system 126 as represented in FIG. 5, the channels 100 of the auger 154 (upstream in the case of a two-auger system) having elongate sections presenting a longitudinal axis parallel to the side faces 190 of the channels and which are inclined at an angle ⁇ 'relative to the axis XX of the twist, this angle ⁇ ' being substantially equal (+/- 10 "near) to the angle helical ⁇ helical channels 48 above the injection head 30 and the fuel drop velocity vectors of the web produced by these channels.
  • the air flow delivered by the swirler 154 is parallel and co-current with the velocity vectors of the drops of fuel of the web, which allows this air flow to shear the web by limiting the risks of recirculation of the air-mixture.
  • fuel and coke deposit on the venturi (not shown) located downstream of the spin.
  • the support means 160 of the injector head 30 are formed in one piece with the swirler 154 which has at its downstream end an outer peripheral flange 102 hooking on the venturi.
  • each channel 100 of the auger 154 is interconnected at their upstream ends by an upstream wall perpendicular to the axis XX.
  • the channels 100 are closed downstream by an upstream radial face of the venturi which defines the downstream walls of the channels 100, these downstream walls of the channels being perpendicular to the axis XX.
  • the channels 100 of the auger 154 are separated from each other by substantially radial vanes which are pierced with bleed holes 104 passing through the auger over its entire axial dimension.
  • These bleed holes 104 open at their upstream ends on an upstream radial face of the swirler 154 and their downstream ends communicate with corresponding orifices of the venturi for the passage of a purge air flow on the outer surface of the venturi and the internal frustoconical surface of the bowl mixer downstream of the venturi, the venturi and the mixing bowl of the injection system according to the invention being similar to those shown in Figure 3.
  • the bleed holes 104 are inclined at the same angle ⁇ 'around the axis XX.
  • the axes of the sections of the channels of the tendrils can be oriented in the same direction or in opposite directions about the axis XX, as shown schematically in Figures 6 and 7.
  • the axes of the channel sections of the upstream and downstream swirlers 254 and 256 are oriented in the same direction and deliver co-current air flows to the drop velocity vectors of the fuel ply.
  • the angle ⁇ 1 between the axes of the channel sections of the upstream swirler 254 and the angle XX is substantially equal to +/- 10 "near the aforementioned angle between the velocity vectors of the drops and the axis XX, and the angle ⁇ 2 between the axes of the channel sections of the downstream swirler 256 and the angle XX is equal to ⁇ 1 or different from ⁇ 1
  • This embodiment of the invention is particularly suitable for an injection system whose mixing bowl has air passages for mixing with the fuel in operation, that is to say the orifices of the type referenced 76 in Figure 3.
  • the axes of the channel sections of the upstream and downstream tendons 354 and 356 are oriented in opposite directions and respectively deliver co-current and countercurrent air flows to the vectors. speeds of the drops of the water table.
  • the angle ⁇ 1 'between the axes of the channel sections of the upstream swirler 354 and the angle XX is substantially equal to +/- 10 "near the aforementioned angle between the velocity vectors of the drops and the axis XX
  • the angle ⁇ 2 'between the lateral faces 390 of the channels of the downstream swirler 256 and the angle XX is substantially equal to ⁇ 1'
  • This embodiment of the invention is particularly suitable for an injection system whose mixing bowl does not have air passage holes for mixing with the fuel in operation, that is to say the orifices of the type referenced 76 in Figure 3. The air flow delivered by the downstream swirler is then intended to stabilize the flame in the combustion chamber.
  • the aforementioned injection system may comprise a purging auger for both sweeping the injector head and the internal surface of the venturi (and thus providing a purge function) and mixing with the fuel supplied by the injector .
  • the purging auger according to the invention comprises substantially radial vanes whose radially inner trailing edges are inclined from upstream to downstream outwards and extend over a frustoconical surface flared downstream about the axis A of the injection system.
  • the channels of the auger have upstream and downstream radial faces which are substantially parallel to one another and to a transverse plane perpendicular to the axis A of the injection system.
  • the means 140 for supporting the head 130 of the injector and the upstream twist 134 or internal are formed in one piece.
  • the support means 140 comprises an internal cylindrical surface 174 whose downstream end is connected to the upstream end of the frustoconical surface 176 defined by the trailing edges 178 of the vanes 180 of the auger 134.
  • the trailing edge 178 each blade 180 comprises an inwardly concave curved surface and inclined from upstream to downstream outwardly.
  • the support means 140 comprise a cylindrical wall 184 internally defining the aforementioned cylindrical surface 174 and connected at its upstream end to a frustoconical wall 182 flared upstream, and at its downstream end to a radial wall 186 extending towards the outside.
  • the vanes 180 of the auger 134 are connected at their upstream ends to the radial wall 186 of the support means 140.
  • the channels 188 delimited by the vanes 180 of the auger are formed by slots opening axially downstream and closed by a radial upstream face of a venturi 138 separating the spin 134 of the bowl 142.
  • each blade 180 of the twist 134 has an outer peripheral rim portion cylinder ( Figures 9 and 10)
  • the trailing edges 178 of the vanes of the auger 134 extend parallel to the outer peripheral surface of the fuel ply 191 which is delivered as a cone by the injector.
  • the injector can provide two coaxial fuel plies, a first cone-shaped fuel ply 192 having an opening angle a1 and a second fuel ply 191 coaxial with cone shape having an aperture angle a2 (greater than a1).
  • the first fuel ply 192 can be optimized at engine start and for the full throttle and the second ply 191 can be optimized for the rpm range from start to full throttle.
  • the trailing edges 178 of the vanes 180 of the auger 134 are parallel to the outer peripheral surface of the second fuel ply 191, and therefore forms an angle a2 with the axis A, a2 being for example between 45 and 65 °.
  • the trailing edges 178 of the vanes 180 are located at the same distance from the outer peripheral surface of the sheet 191.
  • the amount of movement of the air flow delivered by the auger 134 is constant over the entire axial dimension of the auger. This air flow shears the fuel ply 191 in an identical manner over the entire axial dimension of the tendril.
  • the portion 194 of the outgoing airflow at the upstream end portions of the trailing edges 178 of the vanes 180 is intended to purge the end of the head 130 of the injector and to shear the fuel web. 191 without disturbance.
  • the channels 188 of the auger 134 have a square section which is constant over the entire radial dimension of the auger.
  • an axial air passage orifice 196 is formed in each blade 180 and communicates with an axial air passage orifice 197 of the venturi 138.
  • the orifices 196 open at their upstream ends on the upstream radial face of the radial wall 186 of the centering means, and the orifices 197 open at their downstream ends radially outside the venturi 138.
  • the air 198 which leaves the orifices 197 is intended to circulate on the outer surface of the venturi and forming a purge air film of the radially inner surface of the bowl 142, to prevent the deposition of coke on this surface.
  • the mixing bowl 142 of the injection system is mounted downstream of the swirler 136 and comprises, as in the prior art, a substantially frustoconical wall flared downstream and connected at its downstream end to a cylindrical rim 152, extending upstream.
  • the frustoconical wall comprises an annular row of orifices 156 for air passage, extending around the axis A.
  • the flange 152 comprises an annular row of orifices 158 for air passage, this air being intended to come impact on a annular flange 159 extending radially outwardly from the downstream end of the frustoconical wall of the bowl.
  • the rows of orifices 156, 158 are located on circumferences whose diameters are substantially equal to or greater than the maximum external diameter of the support means 140 and the auger 134.
  • the air flow 161 which feeds these orifices does not bypass the injection system which limits the disturbances of this flow and optimizes the supply of the orifices 156, 158.
  • the invention makes it possible (by eliminating the purge orifices), for a given permeability of the injection system, to optimize with precision the diameter of the orifices 156, 158 of the mixing bowl and the dimensions of the channels of the tendrils 134, 136.
  • the cumulative sections of the orifices 158 of the mixing bowl and the channels of the external swirler 136 represent 20 to 30% of the total permeability of the system, the accumulated sections of the orifices 156 of the mixing bowl and channels 188 of the internal swirler 134 representing 70 to 80% of this permeability. 70 to 80% of the air flow supplying the injection system is therefore intended to mix with the fuel supplied by the injector.
  • the injection system differs from that previously described in that the channels 288 of its internal swirler 234 have a section which decreases radially from the outside towards the inside.
  • each channel 288 at the downstream ends of the trailing edges 276 of the vanes 280 extending on either side of this channel is greater than that of the same channel at the upstream ends of the channels. aforementioned trailing edges ( Figure 1 1).
  • the air outlet section at the trailing edges 276 of the vanes 280 is therefore greater at the downstream ends of the trailing edges than at their upstream ends. Because this section is calibrating, the amount of air movement is greater at the downstream end of the swirler at its upstream end (arrows 294) and increases steadily between its upstream end and its downstream end due to the increase in the output width of the channels between these ends.
  • the channel section of the internal swirl of the injection system may have a rectangular or trapezoidal shape, and not square as in the examples described above.
  • each blade of the spin can have its side faces converging from downstream to upstream.

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Abstract

Chambre annulaire (10) de combustion pour une turbomachine, comportant une rangée annulaire d'injecteurs de carburant (28) dont les têtes (30) sont engagées dans des systèmes (126) d'injection de carburant montés dans des ouvertures (24) de la paroi de fond de chambre, chaque tête d'injecteur comportant au moins un canal hélicoïdal (42, 48) de passage de carburant pour la mise en rotation de ce carburant autour de l'axe longitudinal (XX) de la tête, et chaque système d'injection comportant au moins une vrille (154) dont les canaux (100) de passage d'air ont des sections dont les axes qui sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la vrille, d'un angle (β') qui est sensiblement égal à l'angle d'hélice (β) du canal hélicoïdal précité, à +/- 10° près, et qui sont orientés dans le même sens que ce canal autour de l'axe longitudinal de la vrille.

Description

Chambre annulaire de combustion pour une turbomachine
La présente invention concerne une chambre annulaire de combustion d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.
Une chambre annulaire de combustion comprend deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre comportant des ouvertures dans chacune desquelles est monté un système d'injection de carburant.
Les demandes FR-A1 -2 918 716, FR-A1 -2 925 146 et FR-A1 - 2 941 288 décrivent des systèmes d'injection de carburant pour de telles chambres annulaires.
Un système d'injection classique comprend des moyens de support et de centrage d'une tête d'injecteur, et des vrilles primaire et secondaire qui sont montées en aval des moyens de support, coaxialement à ces moyens, et qui délivrent chacune des flux d'air radiaux en aval de l'injecteur afin de réaliser un mélange d'air et de carburant destiné à être injecté puis brûlé dans la chambre de combustion. L'air sortant de la vrille primaire est accéléré dans un venturi intercalé entre les deux vrilles. Un bol mélangeur de forme tronconique est monté en aval des vrilles pour la pulvérisation du mélange air/carburant qui entre dans la chambre de combustion.
Les vrilles du système d'injection comportent chacune des canaux sensiblement radiaux qui délivrent un flux d'air tourbillonnaire ou « swirl » en terminologie anglo-saxonne. Dans la technique actuelle, ces canaux ont une section en forme de carré ou de rectangle présentant un axe longitudinal, leurs faces amont et aval étant perpendiculaires à cet axe longitudinal et reliées entre elles par des faces latérales parallèles à cet axe.
La chambre de combustion est équipée d'une rangée annulaire d'injecteurs de carburant qui s'étend autour de l'axe longitudinal de la chambre. Chaque injecteur comprend un ou deux circuits de carburant qui alimentent chacun un canal hélicoïdal situé dans la tête de l'injecteur, ce canal hélicoïdal permettant de mettre en rotation le carburant autour de l'axe longitudinal de la tête et de produire une nappe de carburant dans laquelle les vecteurs vitesses des gouttes pulvérisées de carburant sont tous orientés dans le même sens (horaire ou anti-horaire) par rapport à l'axe longitudinal de la tête d'injecteur et forment tous un même angle par rapport à cet axe longitudinal. Cet angle est sensiblement égal à l'angle d'hélice du canal hélicoïdal précité, c'est à dire à l'angle formé entre une droite tangente en un point du canal hélicoïdal et l'angle longitudinal de la tête d'injecteur.
La tête de chaque injecteur est engagée axialement dans les moyens de support précités d'un système d'injection, ces moyens de support comportant des orifices axiaux de purge d'air qui débouchent radialement à l'intérieur de la vrille primaire pour la ventilation du venturi.
Dans la technique actuelle, le flux d'air sortant de ces orifices de purge perturbe le flux d'air tourbillonnaire délivré par la vrille primaire, ce qui entraîne des turbulences et des recirculations du mélange air-carburant dans le venturi et se traduit par le dépôt de suie et de coke sur la surface intérieure du venturi.
Ce dépôt peut gêner l'injection du mélange air/carburant dans la chambre et créer localement des points chauds à l'intérieur de la chambre, ce qui favorise notamment l'émission de gaz nocifs tels que des oxydes d'azote (NOx).
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet une chambre annulaire de combustion pour une turbomachine, comportant deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire formant un fond de la chambre, et une rangée annulaire d'injecteurs de carburant dont les têtes sont engagées dans des systèmes d'injection de carburant montés dans des ouvertures de la paroi de fond de chambre, chaque tête d'injecteur comportant au moins un canal hélicoïdal de passage de carburant pour la mise en rotation de ce carburant autour de l'axe longitudinal de la tête, et chaque système d'injection comportant au moins une vrille coaxiale à la tête d'injecteur et comportant des canaux sensiblement radiaux de passage d'air ayant une section allongée présentant un axe, caractérisée en ce que les axes longitudinaux des sections desdits canaux sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la vrille, d'un angle qui est sensiblement égal à l'angle d'hélice du canal hélicoïdal précité de la tête d'injecteur, à +/- 10° près, et sont orientés dans le même sens que ce canal autour de l'axe longitudinal de la vrille.
Les axes des sections des canaux de la vrille sont ainsi sensiblement parallèles, à +/- 10° près, aux vecteurs vitesses des gouttes de carburant pulvérisées dans le système d'injection, ce qui permet au flux d'air délivré par la vrille de cisailler la nappe de carburant en limitant les recirculations du mélange air-carburant en aval de la vrille et le risque de dépôt de coke sur la surface interne du venturi. Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, les axes des sections des canaux de la vrille sont inclinés d'un angle qui est sensiblement égal à l'angle d'hélice du canal hélicoïdal de la tête d'injecteur.
Les axes des sections des canaux de la vrille sont par exemple inclinés d'un angle compris entre 20 et 40° environ par rapport à l'axe longitudinal de la vrille.
Chaque injecteur de carburant peut comprendre un premier circuit de carburant d'alimentation d'un canal hélicoïdal et un second circuit indépendant de carburant d'alimentation d'un autre canal hélicoïdal (externe) de diamètre supérieur au premier canal hélicoïdal (interne). Ces circuits de carburant fournissent deux nappes de carburant coaxiales en forme de cône et ayant des angles d'ouverture différents. La nappe de carburant de plus faible angle d'ouverture peut être optimisée au démarrage du moteur et pour le régime plein gaz et la seconde nappe de plus grand angle d'ouverture peut être optimisée pour la plage de régime allant du démarrage au plein gaz. Les axes des sections des canaux de la vrille sont de préférence inclinés d'un même angle et dans le même sens que le canal hélicoïdal externe de production de la nappe de carburant de plus grand angle d'ouverture.
Chaque canal de la vrille peut avoir une section en forme de carré, de rectangle ou de losange.
De préférence, la vrille est formée d'une seule pièce avec les moyens de support du système d'injection.
La vrille peut comprendre à son extrémité aval un rebord périphérique cylindrique d'accrochage sur un venturi situé en aval de la vrille.
Les canaux de la vrille sont séparés les uns des autres par des aubages. Chacun de ces aubages peut comprendre au moins un orifice traversant de passage d'air, qui est incliné par rapport à l'axe longitudinal de la vrille sensiblement d'un même angle et dans le même sens que les axes des sections des canaux situés de part et d'autre de cet aubage. Ces orifices communiquent avec des orifices traversants formés dans le venturi pour le passage d'un flux d'air destiné à s'écouler le long de la surface externe du venturi et de la surface interne du bol.
Ces orifices permettent de créer un film d'air de purge du divergent du bol pour y empêcher le dépôt de coke et de suie. Les orifices axiaux de la vrille sont alimentés par de l'air provenant directement du diffuseur, ce qui est avantageux. En effet, dans la technique antérieure, le film d'air provient d'orifices radiaux formés dans une paroi cylindrique du venturi, cet air devant contourner la vrille amont et alimentant ces orifices en statique, ce qui réduit l'efficacité de la purge du bol et favorise les recirculations d'air.
Selon un mode de réalisation de l'invention dans lequel chaque système d'injection comprend deux vrilles, respectivement amont et aval, et le bol mélangeur comporte au moins une rangée annulaire d'orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant, les axes des sections des canaux de la vrille amont sont inclinés d'un même angle et dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur, et les axes des sections des canaux de la vrille aval sont orientés dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur.
Dans le cas où le bol mélangeur comporte des orifices du type précité, il est en effet avantageux que les flux d'air délivrés par les vrilles soient co-courants aux vecteurs vitesses des gouttes de la nappe de carburant. Par ailleurs, l'angle entre les axes des sections des canaux de la vrille aval et l'axe longitudinal de la vrille peut être identique à ou différent de celui entre les axes des sections des canaux de la vrille amont et l'axe longitudinal.
Dans une variante de l'invention dans laquelle chaque système d'injection comprend deux vrilles, respectivement amont et aval, et un bol mélangeur dépourvu d'orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant, les axes des sections des canaux de la vrille amont sont inclinés d'un même angle et dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur, et axes des sections des canaux de la vrille aval sont orientés dans le sens contraire au canal hélicoïdal de la tête d'injecteur autour de l'axe longitudinal de la vrille.
Dans le cas où le bol mélangeur ne comporte pas d'orifices du type précité, il est en effet avantageux que le flux d'air délivré par la vrille amont soit co-courant aux vecteurs vitesses des gouttes de carburant et que le flux d'air délivré par la vrille aval soit à contre-courant de ces vecteurs vitesses, de façon à ce que le flux d'air délivré par la vrille aval stabilise la flamme dans le foyer de la chambre de combustion. Par ailleurs, l'angle entre les axes des sections des canaux de la vrille aval et l'axe longitudinal de la vrille peut être identique à celui entre les axes des sections des canaux de la vrille amont et cet axe.
Les canaux de la vrille sont séparés les uns des autres par des aubages et peuvent être contenus dans un plan radial. Les bords de fuite ou extrémités radialement internes des aubages s'étendant avantageusement sur une surface tronconique évasée vers l'aval autour de l'axe longitudinal du système d'injection.
Le flux d'air tourbillonnant délivré par la vrille du système d'injection est destiné à balayer et ventiler la tête de l'injecteur et le venturi et à se mélanger au carburant injecté dans la chambre. La vrille assure donc en plus de sa fonction principale une fonction similaire à celle des orifices de purge de la technique antérieure et peut donc être considérée comme une vrille « purgeuse ». Le système d'injection est donc avantageusement exempt d'orifices de purge du type précité, ce qui permet de supprimer les turbulences liées à l'interaction des flux d'air sortant des orifices de purge et de la vrille de la technique antérieure, ainsi que les risques de dépôt de coke sur le venturi dus à ces turbulences.
Le bord de fuite de chaque aubage de la vrille peut comprendre une surface incurvée (concave vers l'intérieur) et inclinée d'amont en aval vers l'extérieur. La surface tronconique sur laquelle s'étendent les bords de fuite a un angle d'ouverture de l'ordre de 45 à 65° par exemple, qui correspond sensiblement à celui de la nappe de carburant pulvérisé par l'injecteur dans le système. Les bords de fuite des aubages s'étendent donc parallèlement à la surface périphérique externe de la nappe de carburant, ce qui facilite le mélange de l'air et du carburant dans le venturi.
Par ailleurs, la suppression des orifices de purge permet de réduire le nombre d'orifices du système d'injection par rapport à ceux de la technique antérieure et d'augmenter le diamètre des orifices restants pour une perméabilité donnée du système (égale à la somme des sections efficaces des orifices et des canaux de passage d'air du système), ce qui facilite leur usinage et diminue leur coût de réalisation, et permet de réaliser un système d'injection de faible diamètre pour une turbine de petite taille.
Chaque système d'injection peut comprendre un venturi et un bol mélangeur situés en aval de la vrille, la vrille assurant une ventilation du venturi, par guidage du flux d'air sortant de la vrille le long de la surface interne du venturi. De préférence, la vrille comprend à son extrémité aval un rebord périphérique cylindrique d'accrochage sur le venturi.
Chaque système d'injection peut comprendre des moyens de support et de centrage d'une tête d'injecteur, ces moyens de support comportant une surface cylindrique interne qui est destinée à entourer la tête de l'injecteur et qui est reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont de plus petit diamètre de la surface tronconique précitée.
La présente invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre annulaire de combustion telle que décrite ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un diffuseur et d'une chambre annulaire de combustion de turbomachine, selon la technique antérieure ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un injecteur de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine ;
- la figure 3 est une vue à plus grande échelle du système d'injection de la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3 ;
- la figure 5 est une vue schématique partielle en perspective d'une tête d'injecteur et d'un système d'injection pour une chambre de combustion selon l'invention ; et
- les figures 6 et 7 représentent très schématiquement les orientations des sections des canaux de passage d'air des vrilles d'un système d'injection selon des variantes de réalisation de la chambre de combustion selon l'invention ; - la figure 8 est une vue schématique en coupe axiale d'un système d'injection selon l'invention ;
- la figure 9 est une vue schématique en perspective du système d'injection de la figure 8, vu de l'amont et de côté ;
- la figure 10 est une vue schématique en perspective de la vrille du système d'injection de la figure 8, vue de l'aval et de côté ;
- la figure 1 1 est une vue de la face aval d'une vrille selon une variante de réalisation du système d'injection selon l'invention ; et
- la figure 12 est une vue correspondant à la figure 8 et représentant la variante de réalisation du système d'injection de la figure 1 1 .
La figure 1 représente une chambre annulaire de combustion 10 d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cette chambre étant agencée en sortie d'un diffuseur 12, lui-même situé en sortie d'un compresseur (non représenté).
La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 14 et une paroi de révolution externe 16 qui sont reliées en amont par une paroi annulaire 18 de fond de chambre.
Un carénage annulaire 20 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 de la chambre et comprend des ouvertures 22 de passage d'air alignées avec des ouvertures 24 de la paroi 18 de fond de chambre dans lesquelles sont montés des systèmes 26 d'injection de carburant, le carburant étant amené par des injecteurs 28 régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre.
Une partie du débit d'air 32 fourni par le compresseur et sortant du diffuseur 12 pénètre dans l'enceinte annulaire délimitée par le carénage 20, passe dans le système d'injection 26, et est ensuite mélangée au carburant amené par l'injecteur 28 et pulvérisé dans la chambre de combustion 10.
Chaque injecteur 28 comprend une tête 30 d'injection de carburant engagée dans un système d'injection 26 et alignée sur l'axe d'une ouverture 24 de la paroi de fond de chambre 18. La figure 2 représente à plus grande échelle la tête 30 d'un injecteur de carburant 28 du type comprenant deux circuits de carburant, qui est décrite en détail dans la demande FR-A1 -2 817 016 de la demanderesse.
Le premier circuit de carburant de l'injecteur 28 comprend un tube d'alimentation 34 dont une extrémité est engagée et fixée dans un alésage cylindrique 36 d'une pièce cylindrique 38 qui est elle-même montée à l'intérieur d'un manchon 40. Le carburant est amené par le tube dans l'alésage 36 de la pièce 38 puis circule dans des canaux hélicoïdaux 42 débouchant à l'extrémité libre aval de la pièce 38 pour mettre en rotation le carburant autour de l'axe longitudinal XX de la tête d'injecteur. L'extrémité libre aval du manchon 40 est située en aval de la pièce cylindrique 38 et comprend un orifice 43 d'éjection du carburant dont la partie d'extrémité aval est à section tronconique pour former une nappe de carburant en forme de cône ayant un angle d'ouverture A prédéterminé.
Le second circuit de carburant de l'injecteur 28 comprend un tube d'alimentation 44, coaxial au tube 34 et de diamètre supérieur, dont une extrémité est engagée et fixée dans un alésage cylindrique 46 de la pièce cylindrique 38, cet alésage 46 étant en communication fluidique avec des canaux hélicoïdaux 48 du manchon 40 précité. Ces canaux 48 sont formés par des gorges hélicoïdales externes formées sur une surface cylindrique externe du manchon 40 et fermées par un embout cylindrique 50 entourant la pièce cylindrique 38, le manchon 40 et les parties d'extrémités aval des tubes 34, 44.
Le carburant est mis en rotation autour de l'axe longitudinal XX lors de son passage dans les canaux 48 qui débouchent à l'extrémité aval du manchon 40. L'extrémité libre aval de l'embout 50 est située en aval du manchon 40 et comprend un orifice 52 d'éjection du carburant coaxial à l'orifice 42 et dont la partie d'extrémité aval est à section tronconique pour former une nappe de carburant en forme de cône ayant un angle d'ouverture B prédéterminé (B étant supérieur à A). Chaque nappe de carburant produite par un injecteur 28 est formée d'une multitude de gouttes dont les vecteurs vitesses sont sensiblement tous orientés de la même façon par rapport à l'axe longitudinal XX de la tête d'injecteur. Les vecteurs vitesses de ces gouttes forment un angle β (beta) avec l'axe XX, cet angle β étant sensiblement égal à l'angle d'hélice des canaux hélicoïdaux 42 ou 48 précités qui délivrent la nappe de carburant. Les gouttes de carburant ont une taille comprise entre 10 et 100 microns environ.
Un système d'injection 26 de la technique antérieure, mieux visible en figure 3, comporte deux vrilles coaxiales, une vrille amont ou interne 54 et une vrille aval ou externe 56, qui sont séparées l'une de l'autre par un venturi 58 et qui sont reliées en amont à des moyens 60 de support de la tête 30 d'un injecteur 28, et en aval à un bol mélangeur 62 qui est monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre.
Les vrilles 54, 56 comprennent chacune une pluralité d'aubages s'étendant sensiblement radialement autour de l'axe XX des vrilles et régulièrement réparties autour de cet axe pour délivrer des flux d'air tourbillonnants en aval de la tête d'injection 30. Les aubes délimitent entre elles des canaux de passage d'air, qui sont inclinés ou incurvés autour de l'axe XX des vrilles.
Les moyens 60 de support de la tête d'injection 30 comprennent une bague 64 traversée axialement par la tête d'injection 30 et montée coulissante dans une douille 66 fixée sur la vrille interne 54. La bague 64 comprend un rebord annulaire 68 s'étendant radialement vers l'extérieur et logé dans une gorge annulaire de la douille 66, le diamètre interne de la gorge de la douille 66 étant supérieur au diamètre externe du rebord 68 de la bague 64.
Le rebord 68 de la bague 64 comporte des orifices de purge 70 sensiblement axiaux pour le passage d'un flux d'air destiné à balayer la tête 30 de l'injecteur pour éviter un retour de flamme vers l'injecteur en fonctionnement. Le bol mélangeur 62 a une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 72, s'étendant vers l'amont et monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre. L'extrémité amont de la paroi tronconique du bol 62 est reliée à une pièce annulaire intermédiaire 74 fixée sur la vrille externe 56.
La paroi tronconique du bol 62 comporte une rangée annulaire d'orifices 76 de passage d'air, s'étendant autour de l'axe XX. Le bol 62 comporte en outre, au voisinage de son rebord 72, une seconde rangée annulaire d'orifices 78 de passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter une collerette annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol.
Le venturi 58 a en section une forme sensiblement en L et comprend à son extrémité amont un rebord annulaire externe 80 s'étendant radialement vers l'extérieur et intercalé axialement entre les deux vrilles 54, 56. Le venturi 58 s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille externe 56 et sépare les écoulements d'air issus des vrilles interne 54 et externe 56.
Le venturi 58 délimite intérieurement une chambre de prémélange dans laquelle une partie du carburant injecté se mélange au flux d'air délivré par la vrille interne 54, ce prémélange air/carburant se mélangeant ensuite en aval du venturi au flux d'air provenant de la vrille externe 56 pour former un cône de carburant pulvérisé à l'intérieur de la chambre.
Comme cela est représenté en figure 4, le nombre d'aubages de la vrille interne 54 est différent de celui des orifices de purge 70 et les positions angulaires des orifices et des aubages autour de l'axe XX sont définies aléatoirement.
Dans la technique actuelle, les canaux des vrilles 54, 56 ont chacun une section en forme de carré ou de rectangle et comprennent une face amont 86 et une face aval 88, qui sont reliées entre elles par des faces latérales 90 s'étendant parallèlement à l'axe XX du système d'injection. Le flux d'air 82 délivré par la vrille et celui sortant des orifices de purge 70 s'entrecroisent ce qui crée des recirculations 84 et des hétérogénéités azimutales du débit d'air d'alimentation du venturi 58, le cisaillement de la nappe de carburant par le flux d'air 68 n'est alors pas optimal.
L'invention permet de remédier à ces problèmes grâce à un système d'injection 126 tel que représenté en figure 5 dont les canaux 100 de la vrille 154 (amont dans le cas d'un système à deux vrilles) ont des sections allongées présentant un axe longitudinal parallèle aux faces latérales 190 des canaux et qui sont inclinés d'un angle β' par rapport à l'axe XX de la vrille, cet angle β' étant sensiblement égal (à +/-10" prés) à l'angle d'hélice β des canaux hélicoïdaux 48 précités de la tête d'injection 30 et aux vecteurs vitesses des gouttes de carburant de la nappe produite par ces canaux.
Le flux d'air délivré par la vrille 154 est parallèle et co-courant aux vecteurs vitesses des gouttes da carburant de la nappe, ce qui permet à ce flux d'air de cisailler la nappe en limitant les risques de recirculation du mélange air-carburant et de dépôt de coke sur le venturi (non représenté) situé en aval de la vrille.
Dans l'exemple représenté, les moyens de support 160 de la tête d'injecteur 30 sont formés d'une seule pièce avec la vrille 154 qui comporte à son extrémité aval un rebord périphérique externe 102 d'accrochage sur le venturi.
Les parois latérales 190 de chaque canal 100 de la vrille 154 sont reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi amont perpendiculaire à l'axe XX. Les canaux 100 sont fermés en aval par une face radiale amont du venturi qui définit les parois aval des canaux 100, ces parois aval des canaux étant perpendiculaires à l'axe XX.
Les canaux 100 de la vrille 154 sont séparés les uns des autres par des aubages sensiblement radiaux qui sont percés d'orifices de purge 104 traversant la vrille sur toute sa dimension axiale. Ces orifices de purge 104 débouchent à leurs extrémités amont sur une face radiale amont de la vrille 154 et leurs extrémités aval communiquent avec des orifices correspondants du venturi pour le passage d'un flux d'air de purge sur la surface externe du venturi et la surface tronconique interne du bol mélangeur situé en aval du venturi, le venturi et le bol mélangeur du système d'injection selon l'invention étant similaires à ceux représentés en figure 3. Les orifices de purge 104 sont inclinés d'un même angle β' autour de l'axe XX.
Dans le cas ou le système d'injection selon l'invention comprend deux vrilles coaxiales et un bol mélangeur (comme c'est le cas en figure 3), les axes des sections des canaux des vrilles peuvent être orientés dans le même sens ou dans des sens contraires autour de l'axe XX, comme cela est représenté schématiquement aux figures 6 et 7.
Les sections transversales d'un canal de la vrille amont et d'un canal de la vrille aval sont schématiquement représentées aux figures 6 et 7 par des rectangles.
Dans la figure 6, les axes des sections des canaux des vrilles amont 254 et aval 256 sont orientés dans le même sens et délivrent des flux d'air co-courants aux vecteurs vitesses des gouttes de la nappe de carburant. L'angle β1 entre les axes des sections des canaux de la vrille amont 254 et l'angle XX est sensiblement égal, à +/-10" prés, à l'angle précité entre les vecteurs vitesses des gouttes et l'axe XX, et l'angle β2 entre les axes des sections des canaux de la vrille aval 256 et l'angle XX est égal à β1 ou différent de β1 . Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement adapté pour un système d'injection dont le bol mélangeur comporte des orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant en fonctionnement, c'est-à-dire des orifices du type de ceux référencés 76 en figure 3.
Dans la figure 7, les axes des sections des canaux des vrilles amont 354 et aval 356 sont orientés dans des sens contraires et délivrent respectivement des flux d'air à co-courant et à contre-courant des vecteurs vitesses des gouttes de la nappe de carburant. L'angle β1 ' entre les axes des sections des canaux de la vrille amont 354 et l'angle XX est sensiblement égal, à +/-10" prés, à l'angle précité entre les vecteurs vitesses des gouttes et l'axe XX, et l'angle β2' entre les faces latérales 390 des canaux de la vrille aval 256 et l'angle XX est sensiblement égal à β1 '. Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement adapté pour un système d'injection dont le bol mélangeur ne comporte d'orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant en fonctionnement, c'est- à-dire des orifices du type de ceux référencés 76 en figure 3. Le flux d'air délivré par la vrille aval est alors destiné à stabiliser la flamme dans la chambre de combustion.
Le système d'injection précité peut comprendre une vrille purgeuse destiné à la fois à balayer la tête de l'injecteur et la surface interne du venturi (et ainsi à assurer une fonction de purge) et à se mélanger au carburant amené par l'injecteur.
La vrille purgeuse selon l'invention comprend des aubages sensiblement radiaux dont les bords de fuite radialement interne sont inclinés d'amont en aval vers l'extérieur et s'étendent sur une surface tronconique évasée vers l'aval autour de l'axe A du système d'injection.
La vrille purgeuse contenue dans un plan radial. Les canaux de la vrille ont des faces radiales amont et aval qui sont sensiblement parallèles entre elles et à un plan transversal perpendiculaire à l'axe A du système d'injection.
Dans l'exemple représenté aux figures 8 à 10, les moyens 140 de support de la tête 130 de l'injecteur et la vrille amont 134 ou interne sont formés d'une seule pièce.
Les moyens de support 140 comporte une surface cylindrique interne 174 dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont de la surface tronconique 176 définie par les bords de fuite 178 des aubages 180 de la vrille 134. Comme cela est mieux visible en figure 10, le bord de fuite 178 de chaque aubage 180 comprend une surface incurvée concave vers l'intérieur et inclinée d'amont en aval vers l'extérieur.
Les moyens de support 140 comportent une paroi cylindrique 184 définissant intérieurement la surface cylindrique 174 précitée et reliée à son extrémité amont à une paroi tronconique 182 évasée vers l'amont, et à son extrémité aval à une paroi radiale 186 s'étendant vers l'extérieur.
Les aubages 180 de la vrille 134 sont reliés à leurs extrémités amont à la paroi radiale 186 des moyens de support 140. Les canaux 188 délimités par les aubages 180 de la vrille sont formés par des fentes débouchant axialement vers l'aval et obturées par une face radiale amont d'un venturi 138 séparant la vrille 134 du bol 142.
De plus, les aubages 180 comprennent à leurs extrémités aval un rebord périphérique externe 189 de forme cylindrique qui sert au centrage et à l'accrochage de la vrille sur le venturi 138. Chaque aubage 180 de la vrille 134 comporte un rebord périphérique externe en portion de cylindre (figures 9 et 10)
Comme cela est représenté en figure 8, les bords de fuite 178 des aubages de la vrille 134 s'étendent parallèlement à la surface périphérique externe de la nappe de carburant 191 qui est délivrée sous forme d'un cône par l'injecteur.
Dans le cas où l'injecteur est équipé de deux circuits de carburant, il peut fournir deux nappes de carburant coaxiales, une première nappe de carburant 192 en forme de cône ayant un angle d'ouverture a1 et une seconde nappe de carburant 191 coaxiale en forme de cône ayant un angle d'ouverture a2 (supérieur à a1 ). La première nappe de carburant 192 peut être optimisée au démarrage du moteur et pour le régime plein gaz et la seconde nappe 191 peut être optimisée pour la plage de régime allant du démarrage au plein gaz.
Avantageusement, les bords de fuite 178 des aubages 180 de la vrille 134 sont parallèles à la surface périphérique externe de la seconde nappe de carburant 191 , et forme donc un angle a2 avec l'axe A, a2 étant par exemple compris entre 45 et 65°.
Les bords de fuite 178 des aubages 180 sont situés à une même distance de la surface périphérique externe de la nappe 191 . La quantité de mouvement du flux d'air délivré par la vrille 134 est constante sur toute la dimension axiale de la vrille. Ce flux d'air cisaille la nappe de carburant 191 de manière identique sur toute la dimension axiale de la vrille. De plus, la partie 194 du flux d'air sortant au niveau des parties d'extrémité amont des bords de fuite 178 des aubages 180 est destinée à purger l'extrémité de la tête 130 de l'injecteur et à cisailler la nappe de carburant 191 sans perturbation.
Dans l'exemple représenté, les canaux 188 de la vrille 134 ont une section de forme carrée qui est constante sur toute la dimension radiale de la vrille.
Comme cela est visible aux figures 8 à 10, un orifice axial 196 de passage d'air est formé dans chaque aubage 180 et communique avec un orifice axial 197 de passage d'air du venturi 138. Les orifices 196 débouchent à leurs extrémités amont sur la face radiale amont de la paroi radiale 186 des moyens de centrage, et les orifices 197 débouchent à leurs extrémités aval radialement à l'extérieur du venturi 138. L'air 198 qui sort des orifices 197 est destiné à circuler sur la surface externe du venturi et à former un film d'air de purge de la surface radialement interne du bol 142, pour empêcher le dépôt de coke sur cette surface.
Le bol mélangeur 142 du système d'injection est monté en aval de la vrille 136 et comporte, comme dans la technique antérieure, une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 152, s'étendant vers l'amont. La paroi tronconique comporte une rangée annulaire d'orifices 156 de passage d'air, s'étendant autour de l'axe A. Le rebord 152 comporte une rangée annulaire d'orifices 158 de passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter sur une collerette annulaire 159 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol .
Les rangées d'orifices 156, 158 sont situées sur des circonférences dont les diamètres sont sensiblement égaux ou supérieurs au diamètre externe maximal des moyens de support 140 et de la vrille 134. Le flux d'air 161 qui alimente ces orifices ne contourne donc pas le système d'injection ce qui limite les perturbations de ce flux et optimise l'alimentation des orifices 156, 158.
L'invention permet (par la suppression des orifices de purge), pour une perméabilité donnée du système d'injection, d'optimiser avec précision le diamètre des orifices 156, 158 du bol mélangeur et les dimensions des canaux des vrilles 134, 136. Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, les sections cumulées des orifices 158 du bol mélangeur et des canaux de la vrille externe 136 représente 20 à 30% de la perméabilité totale du système, les sections cumulées des orifices 156 du bol mélangeur et des canaux 188 de la vrille interne 134 représentant 70 à 80% de cette perméabilité. 70 à 80% du débit d'air alimentant le système d'injection est donc destiné à se mélanger au carburant amené par l'injecteur.
Dans la variante de réalisation des figures 1 1 et 12, le système d'injection diffère de celui précédemment décrit en ce que les canaux 288 de sa vrille interne 234 ont une section qui diminue radialement de l'extérieur vers l'intérieur.
La largeur L1 ou dimension circonférentielle de chaque canal 288 au niveau des extrémités aval des bords de fuite 276 des aubages 280 s'étendant de part et d'autre de ce canal, est supérieure à celle de ce même canal au niveau des extrémités amont des bords de fuite précités (figure 1 1 ).
La section de sortie de l'air au niveau des bords de fuite 276 des aubages 280 est donc plus importante au niveau des extrémités aval des bords de fuite qu'à leurs extrémités amont. Du fait que cette section est calibrante, la quantité de mouvement de l'air est plus importante à l'extrémité aval de la vrille qu'à son extrémité amont (flèches 294) et augmente de manière régulière entre son extrémité amont et son extrémité aval du fait de l'augmentation de la largeur de sortie des canaux entre ces extrémités.
Dans encore une autre variante non représentée, la section des canaux de la vrille interne du système d'injection peut avoir une forme rectangulaire ou trapézoïdale, et non pas carrée comme dans les exemples décrits ci-dessus. Dans le cas où cette section est trapézoïdale, chaque aube de la vrille peut avoir ses faces latérales qui convergent de l'aval vers l'amont.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Chambre annulaire (10) de combustion pour une turbomachine, comportant deux parois annulaires (14, 16) coaxiales, respectivement interne et externe, reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire (18) formant un fond de la chambre, et une rangée annulaire d'injecteurs de carburant (28) dont les têtes (30) sont engagées dans des systèmes (126) d'injection de carburant montés dans des ouvertures (24) de la paroi de fond de chambre, chaque tête d'injecteur comportant au moins un canal hélicoïdal (42, 48) de passage de carburant pour la mise en rotation de ce carburant autour de l'axe longitudinal (XX) de la tête, et chaque système d'injection comportant au moins une vrille (154) coaxiale à la tête d'injecteur et comportant des canaux (100) sensiblement radiaux de passage d'air à section allongée présentant un axe longitudinal, caractérisée en ce que les axes longitudinaux des sections des canaux (100) sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la vrille, d'un angle (β') qui est sensiblement égal à l'angle d'hélice (β) du canal hélicoïdal précité de la tête d'injecteur, à +/- 10° près, et qui sont orientés dans le même sens que ce canal autour de l'axe longitudinal de la vrille.
2. Chambre selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les axes des sections des canaux (100) de la vrille (154) sont inclinés d'un angle (β') compris entre 20 et 40° environ par rapport à l'axe longitudinal (XX) de la vrille.
3. Chambre selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque injecteur de carburant (28) comporte un circuit de carburant d'alimentation d'un premier canal hélicoïdal (42) et un autre circuit indépendant de carburant d'alimentation d'un second canal hélicoïdal (48) de diamètre supérieur au premier canal hélicoïdal, les axes des sections des canaux de la vrille étant inclinés d'un même angle et dans le même sens que ce second canal hélicoïdal.
4. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque canal (100) de la vrille (154) a une section en forme de carré, de rectangle ou de losange.
5. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la vrille (154) comprend à son extrémité aval un rebord périphérique cylindrique (102) d'accrochage sur un venturi.
6. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux (100) de la vrille (154) sont séparés les uns des autres par des aubages, chacun de ces aubages comprenant au moins un orifice (104) traversant de passage d'air, qui est incliné par rapport à l'axe longitudinal (XX) de la vrille d'un même angle (β') et dans le même sens que les axes des sections des canaux situés de part et d'autre de cet aubage.
7. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque système d'injection comprend deux vrilles, respectivement amont (254) et aval (256), et un bol mélangeur comportant au moins une rangée annulaire d'orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant, les axes des sections des canaux de la vrille amont étant inclinés d'un même angle (β1 ) et dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur, et les axes des sections des canaux de la vrille aval étant orientés dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur autour de l'axe longitudinal de la vrille.
8. Chambre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque système d'injection comprend deux vrilles, respectivement amont (354) et aval (356), et un bol mélangeur dépourvu d'orifices de passage d'air destiné à se mélanger au carburant, les axes des sections des canaux de la vrille amont étant inclinés d'un même angle (β1 ') et dans le même sens que le canal hélicoïdal de la tête d'injecteur, et les axes des sections des canaux de la vrille aval étant orientés dans le sens contraire au canal hélicoïdal de la tête d'injecteur autour de l'axe longitudinal de la vrille.
9. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux sont séparés les uns des autres par des aubages et sont contenus dans un plan radial, les bords de fuite (178) ou extrémités radialement internes des aubages s'étendant sur une surface tronconique évasée vers l'aval autour de l'axe longitudinal du système d'injection.
10. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque système d'injection comprend un venturi (138) et un bol mélangeur (142) situés en aval de la vrille, la vrille assurant une ventilation du venturi, par guidage du flux d'air sortant de la vrille le long de la surface interne du venturi.
1 1 . Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la vrille (134) comprend à son extrémité aval un rebord périphérique cylindrique (189) d'accrochage sur le venturi (138).
12. Chambre selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque système d'injection comprend des moyens (140) de support et de centrage d'une tête d'injecteur (28), ces moyens de support comportant une surface cylindrique interne (174) qui est destinée à entourer la tête (130) de l'injecteur et qui est reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont de plus petit diamètre de la surface tronconique précitée.
13. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre annulaire (10) de combustion selon l'une des revendications précédentes.
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