Brevet FR2479342A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne des injecteurs de carburant pour les groupes propulseurs du type à turbine et, en particulier, elle concerne des élé- xiients et des injecteurs à deux orifices en vue d'em- pêcher l'accumulation de coke dans le passage de car- burant secondaire. Un des problèmes auxquels on a été confronté de tout temps dans les turboréacteurs, réside dans l'ac- cumulation de coke se produisant en particulier dans les zones internes des injecteurs de carburant. C'est pourquoi, l'intervalle de temps s'écoulant entre les révisions ou les réparations de ces injecteurs, ou en- core entre les démontages de ces derniers n'est pas aussi long qu'il pourrait l'être. Evidemment, du point de vue entretien, il s'agit là d'un problème non seule- ment coûteux, mais également complexe car, dans de nom- breux types de turboréacteurs, on doit démonter une bonne partie de ceux-ci pour avoir accès à ces injec- teurs. De plus, l'accumulation de coke modifie les caractéristiques de pulvérisation de l'injecteur en rendant ainsi le fonctionnement de ce dernier moins ef- ficace avec, pour conséquence, une perte de rendement de l'ensemble du turboréacteur et une réduction de sa durée de vie. Bien que ce problème ait persisté pendant pas mal de temps et que l'on ait procédé à de nombreux es- sais en vue de le résoudre, aucun de ces derniers n'a jusqu'à présent été couronné de succès. Spécifiquement, on a envisagé des moyens destinés à éliminer les dépôts 3( externes de carbone par lavage, par exemple, par souf- flage d'air sur la surface o le dépôt est susceptible d'apparaître. Evidemment, cette solution prévient avant tout le dépôt du carbone et le soufflage d'air destiné à l'éliminer. Un exemple d'une solution de ce type est déicrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Na 3.788.067 accordé le 29 janvier 1974 aux noms de D. R. Carlisle et J. J. Nichols. Ces solutions sont généralement appliquées lorsque le carburant a tendance à s'accumuler sur les surfaces des injecteurs pendant et après le fonctionnement du turboréacteur. Lors du fonctionnement et de la remise en marche, de l'air est soufflé sur ces surfaces pour en éliminer tout résidu de carburant. La Demanderesse a découvert que l'on pouvait éviter le problème énoncé cidessus dans des injecteurs 1( à deux orifices, c'est-à-dire des injecteurs comportant des passages de carburant primaire et secondaire, en mettant l'injecteur primaire ou injecteur pilote conti- nuellement en service, alors que l'injecteur secondaire ou injecteur principal n'est mis en service que lorsque le turboréacteur fonctionne aux niveaux de poussée plus élevés. Par exemple, la présente invention s'est avérée particulièrement efficace dans les injecteurs de carbu- rant pour des turboréacteurs tels que ceux fabriqués sous les dénominations "JT-8D" et "JT-9D" par le "Pratt and Whitney Aircraft Group of United Technologies Corpo- ration". La présente invention envisage de maintenir une pression ou d'élever la pression régnant dans le passage de carburant secondaire uniquement lorsque le passage de carburant primaire est mis en service. Dans ce mode opératoire, l'écoulement du carburant provenant du passage primaire et l'écoulement d'air environnant agissent à la manière d'une pompe à injection en créant une pression négative dans le passage secondaire, pro- voquant ainsi la migration, dans ce dernier, de l'écou- lement de carburant sortant de l'injecteur primaire avec, pour conséquence, l'accumulation de coke. La compréhension de ce problème s'est avérée évasive pour de nombreuses personnes qui ont tenté de le résoudre. Etant donné que ce problème n'a jamais été parfaitement compris, sa solution n'apparaît pas aisément. En con- séquence, la Demanderesse a constaté qu'en canalisant judicieusement l'écoulement d'air au cours d'un fonc- tionnement aux régimes de faible poussée, cet air pouvait être dirigé de façon à élever la pression ré- gnant dans le passage secondaire, supprimant ainsi la pression négative créée jusqu'à présent dans ce dernier, tout en empêchant le carburant d'y migrer. Un objet de la présente invention est de-four- nir un injecteur de carburant perfectionné pour la cham- bre de combustion d'une turbine à gaz. Une caractéristique de la présente invention consiste à établir un parcours d'écoulement distinct pour l'air de la turbine afin de mettre l'injecteur se- condaire sous pression sans purge réelle avec un écoule- ment d'air (normalement utilisé uniquement lors d'un fonctionnement de la turbine à une poussée plus élevée) lorsque l'injecteur primaire est mis en service unique- ment lors d'un fonctionnement de la turbine à une pous- sée plus faible. D'autres caractéristiques et avantages apparai- tront à la lecture de la spécification et des revendi- cations ci-après, en se référant aux dessins annexés qui illustrent une forme de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 est une vue fragmentaire en partie en élévation et en partie en coupe illustrant les dé- tails de la présente invention; la figure 2 est une vue pratiquement identique- à la figure 1, mais illustrant une autre forme de réali- sation légèrement modifiée de l'invention; et la figure 3 est une vue fragmentaire en partie en élévation et'en partie en coupe illustrant une autre forme de réalisation d'un injecteur de carburant à deux orifices, à savoir un injecteur de carburant secondaire d'aération et l'injecteur -primaire classique d'atomisa- tion sous pression; Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, l'inven- tion consiste essentiellement à empêcher l'accumulation de coke dans le passage d'un injecteur de carburant d'un groupe propulseur du type à turbine et, pour des raisons de commodité et de simplicité, on ne représente que cette partie de l'injecteur de carburant pour illus- trer l'invention. Pour une description détaillée des injecteurs de carburant atomisé par l'air ou d'atomisa- tion sous pression, on se référera aux injecteurs de carburant utilisés sur les turboréacteurs "JT-8D" et "JT-9D" fabriqués par le "Pratt and Whitney Aircraft Group of United Technologies Corporation". Il suffit de men- tionner que, dans ces deux types de turboréacteurs, on utilise des injecteurs de carburant à deux orifices, à savoir un injecteur primaire d'atomisation sous pres- sion et un injecteur secondaire d'atomisation par air ou d'atomisation sous pression, l'injecteur primaire étant utilisé à la fois pour un fonctionnement du turbo- réacteur aux régimes de faible poussée et de poussée élevée, tandis que l'injecteur secondaire est mis en service uniquement aux régimes de poussée plus élevée. Comme le montrent les figures 1 et 2, l'injec- teur muni de son support est désigné d'une manière t générale par le chiffre de référencel10 et il se présente sous la forme d'un corps généralement conique définis- sant un passage de carburant primaire 12 pour l'injec- tion du carburant dans la zone de combustion (non re- présentée), ainsi qu'un passage annulaire secondaire 14 destiné également à injecter le carburant dans cette zone de combustion. Le passage primaire peut comporter le pivot central à ressort classique 16, tandis que le passage secondaire peut comprendre le tamis filtrant classique 18 et la bague de dosage 20. Comme on peut le constater, chacune des formes de réalisation des figures 1 et 2 comporte un écran thermique en forme de dôme 22, 24 respectivement, ces formes de réalisation étant modifiées chacune de la manière décrite ci-après, tandis qu'elles comportent un écrou de fixation d'injecteur 26, 28 respectivement également modifié de la manière décrite ci-après. Le problème rencontré dans les injecteurs (le carburant à atomisation sous pression et à deux orifices utilisés jusqu'à présent réside dans le fait que, lors- que le passage de carburant secondaire 14 est rendu inopérant dans les régimes de faible poussée, la répar- tition de la pression au voisinage de ce passage, créée par le carburant et l'écoulement d'air tourbillonnaire, engendre une pression négative dans le passage secondai- re 14, ce qui se traduit par la tendance du carburant sortant du passage primaire 12 à pénétrer dans le passa- ge secondaire 14 en formant des dépôts de coke le long des parois de ce dernier. Afin d'éviter ce problème, suivant la présente invention, les injecteurs de carburant utilisés jusqu'à présent sont modifiés de la manière illustrée dans les figures 1 et 2 dans le but d'empêcher le carburant sor- tvnt de l'injecteur primaire de pénétrer dans l'injec- teur secondaire lorsque celui-ci est rendu inopérant. A cet effet, le champ de pression d'air établi au voisi- nage du passage secondaire 14 est légèrement modifié pour créer une pression positive dans ce dernier chaque fois que l'injecteur primaire est le seul à être mis en service. En figure 1, cette caractéristique anti-carboni- sation est obtenue en augmentant le nombre de trous d'air 30 pratiquésdans l'écran thermique 22 et en définissant une ouverture annulaire de sortie prédéterminée 32 à l'en- droit o, jusqu'à présent, le sommet de lécran thermique en forme dedôme entrait en contact avec l'assemblage d'injecteur 10 au point de jonction 34. En figure 2, la caractéristique anti-carbonisa- tion est obtenue en modifiant l'écrou de fixation d'in- jecteur 28. La partie annulaire 40 de cet écrou 28 qui s'étend vers l'intérieur, a des dimensions calcu- lées de telle sorte que, suite à l'effet conjoint de l'espace désigné par la lettre de référence A et de l'ouverture centrale 42 par laquelle le carburant est injecté dans la zone de combustion désignée par la lettre de référence B, ainsi que du diamètre, du nombre et de l'angle des trous d'admission d'air tourbillonnai- re 44, la répartition de pression de l'air tourbillon- naire pénétrant dans ces trous 44 engendre une pression positive dans le passage secondaire 14 lorsque celui-ci est rendu inopérant. Comme on le comprendra, dans chacune des formes de réalisation d'injecteurs illustrées dans les figures 1 et 2, le moyen permettant de créer la caractéristique anti-carbonisation consiste à assurer la présence, dans le passage de carburant secondaire 14,d'tne pression néga- tive qui y faisait totalement défaut jusqu'à présent. A cet effet, on procède le plus avantageusement par la méthode de tâtonnements. En d'autres termes, on soumet l'injecteur de carburant à des essais en modifiant la répartition de pression pour obtenir une pression positive dans le passage secondaire et ce, dans tout l'intervalle opératoire de l'injecteur de carbu- rant. La figure 3 illustre un autre type d'injecteur de carburant à deux orifices qui a été mis au point pour obtenir la caractéristique anticarbonisation décrite en se référant aux figures 1 et 2. Ainsi qu'on l'a mention- né précédemment, la figure 3 illustre un injecteur de carburant à deux orifices avec un système de carburant primaire à atomisation sous pression et un système de carburant secondaire à aération ou à atomisation par air. Tel qu'il est illustré d'une manière générale et désigné par le chiffre de référence 50, l'injecteur muni de son support comprend l'assemblage classique de pivot central et d'injecteur primaire 52 par lequel le carburant est injecté dans la zone de combustion. Le carburant est également introduit dans la zone de combustion par un passage secondaire 5b. Le tourbillon d'air se produi- sant dans les passages 58 et 60 crée des courants d'air tourbillonnaires entre lesquels est enfermé le courant de carburant à configuration conique sortant du passage secondaire 56, provoquant ainsi un effet d'atomisation. Tout comme le problème provoquant la carbonisa- tion dans le passage 56 lorsque seul le passage de car- burant primaire est mis en service, le champ de pression engendré à proximité du passage 56 a tendance à créer une pression négative dans ce dernier, provoquant ainsi la migration du carburant vers ce passage 56. 4n con- séquence, le calcul des dimensions des passages pour un intervalle de combustion donné sert à créer une pres- sion positive dans le passage secondaire chaque fois que le passage primaire est le seul système de carburant à être mis en service. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation particulières illustrées et décrites ici, mais que de nombreuses modifications peu- vent y être apportées sans-se départir de l'esprit et du cadre de son nouveau concept tel qu'il est défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Injecteur de carburant du type à deux orifi- ces pour la chambre de combustion d'une turbine à gaz comportant un compresseur, caractérisé en ce qu'il com- prend un logement généralement conique à l'intérieur et au centre duquel s'étend un passage de carburant primai- re, un passage de carburant secondaire défini.dans ce logement et disposé concentriquement par rapport au pas- sage de carburant primaire, ces passages primaire et se- condaire acheminant tous deux le carburant dans la cham- bre de combustion via un plan transversal pratiquement mutuel, des éléments destinés à conférer une composante tourbillonnaire à l'air de décharge du compresseur qui entoure le carburant sortant des passages primaire et secondaire, le passage de carburant primaire étant norma- lement mis continuellement en service dans tout l'inter- valle de fonctionnement de la turbine, tandis que le passage de carburant secondaire est mis en service uni- quement lors d'un fonctionnement aux régimes de poussée élevée et est inopérant aux régimes de faible poussée de cet intervalle de fonctionnement de la turbine, ainsi que des éléments destinés à mettre le passage secondaire sous pression au moyen de l'air de décharge du compres- seur lorsque seul le passage primaire est mis en servi- ce, de telle sorte qu'une pression positive soit mainte- nue dans le passage secondaire, empêchant ainsi le carbu- rant de migrer dans ce dernier à partir du passage pri- maire et de former des dépôts de coke sur ses parois. 2. Injecteur de carburant du type à deux orifi- ces suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un écran thermique défini dans un élément en forme de dôme comportant un sommet monté à proximité du plan transversal de sortie précité et une base mon- tée à proximité de la partie de plus grand diamètre du logement conique, ainsi que plusieurs ouvertures défi- nies circonférentiellement dans l'élément en forme de dô- me à proximité de la base de ce dernier, le sommet-de cet élément en forme de dôme étant espacé du logement conique en vue de définir un passage de sortie pour l'air de décharge du compresseur qui s'écoule à travers ces ouvertures, tandis que les dimensions de ces der- fières et de ce passage de sortie sont sélectionnées de façon à obtenir une pression positive dans le passage secondaire lorsque le passage primaire est le seul à être mis en service. 3. Injecteur de carburant du type à deux orifi- 1() ces suivant la revendication 1, caractérise en ce que les éléments destinés à conférer une composante tour- billonnaire à l'air de décharge du compresseur compren- nent un écrou monté sur l'extrémité du logement conique et comportant une ouverture centrale disposée coaxiale- ment par rapport à l'axe du passage primaire, un élément en forme de dôme définissant un écran thermique et dont le sommet est fixé au sommet du logement conique, tandis que sa base est fixée à la base de ce dernier, ainsi qu'une paroi annulaire s'étendant à l'intérieur de l'écrou et définissant une ouverture centrale disposée coaxialement par rapport à l'axe précité, tout en étant espacée axialement du sommet de l'élément en forme de dôme, les dimensions de l'ouverture centrale de la paroi précitée et de l'espace ainsi défini étant calculées de telle sorte que l'air de décharge du compresseur qui est soumis à un mouvement tourbillonnaire par les passages définis dans l'extrémité de base de l'écrou pour être dé- chargé par l'ouverture centrale précitée, mette le pas- sage secondaire sous pression lorsque le passage primai- re est le seul à être mis en service. 4. Injecteur de carburant du type à deux orifi- ces suivant la revendication 1, cet injecteur comprenant un premier passage annulaire disposé concentriquement entre le passage secondaire et le passage primaire préci- tés, ainsi qu'un second passage annulaire disposé concen- triquement autour du passage secondaire en vue d'achemi- ner l'air de décharge du compresseur dans les premier et second passages annulaires pour qu'il se mélange avec le carburant sortant des passages primaire et se- condaire, caractérisé en ce qu'il comprend des élé- ments destinés à conférer une composante tourbillonnai- re à l'air s'écoulant dans les premier et second passa- ges annulaires, de telle sorte que l'air déchargé de ces derniers tourbillonne autour du carburant sortant, les dimensions de ces premier et second passages annu- lMires étant calculées de façon à mettre le passage se- condaire sous pression lorsque le passage primaire est le seul à être mis en service.