Brevet FR2504195A1 — publié le 19821022

L'invention concerne les systèmes d'alimentation en combustible utilisés dans les moteurs à turbine à gaz. Pour pouvoir fonctionner avec efficacité, les moteurs à turbine à gaz doivent travailler à des températures très élevées Ainsi qu'on peut s'y attendre, ces températures sont particulièrement élevées dans la chambre de combustion du moteur o l'on brûle le carburant Pour bien enflammer le combustible, il est nécessaire d'avoir des températures de combustion élevées ainsi que pour obtenir, en outre, la quan- tité maximum disponible d'énergie de combustion Au moment o le combustible est enflammé, il se combine avec de l'air à haute pression pour former des gaz de combustion à pression et températures élevées On utilise ces gaz en aval de la chambre de combustion dans une turbine qui transforme l'énergie cinétique de ces gaz en énergie mécanique utile En raison des principes de base de la thermodynamique, à un accroissement de la tempéra- ture et de la pression des gaz de combustion correspond un accroissement de la quantité d'énergie mécanique-produite A cause des températures de combustion nécessairement élevées, on doit réaliser un moteur à système d'alimentation en combus- tible qui soit capable de fournir sans risques et de manière sûre, un débit continu de combustible à la chambre de combustion pendant le fonctionnement à température élevée du moteur. Classiquement, dans l'état actuel de développement des moteurs, les systèmes d'alimentation en combustible sont soumis à des températures supérieures à 4270 C L'Administration Fédérale de l'Aviation des EtatsUnis d'Amérique (Federal Aviation Authority) demande que les systèmes d'alimentation en combustible des moteurs que l'on trouve dans le commerce subis- sent un essai de résistance au feu pour prouver que le système d'alimentation en combustible particulier d'un moteur est capable de fonctionner sans risques dans les conditions très sévères de cet environnement. En outre, au moins un constructeur de moteurs d'avion demande que le système d'alimentation en combustible soit capable d'assurer l'évacuation de toute fuite de combustible qui pourrait survenir lors d'une défaillance d'un raccord ou 2504 195 d'une conduite dans un trajet d'écoulement primaire. La présente invention réalise une conduite de combustible particulière entourant une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz La conduite de combustible comporte une série de segments de collecteur reliant une série de bases d'injecteur de combustible pour former une conduite de com- bustible d'un seul tenant L'agencement du collecteur réalise un trajet d'écoulement primaire du combustible enfermé dans une série de parois Dans une réalisation de l'invention, le trajet d'écoulement primaire se trouve à l'intérieur d'une paroi interne tubulaire souple et est entouré par un trajet secondaire d'écoulement du combustible qui se trouve dans une paroi tubulaire extérieure concentrique. Cet agencement à deux parois fournit ainsi une protection thermique et une protection contre le feu au trajet d'écou- lement primaire du combustible et de plus fournit un moyen pour recueillir les fuites possibles de combustible en vue de leur évacuation. Pour s'adapter aux-dilatations et aux retraits thermiques les parois extérieures des segments du collecteur ont des manchons télescopiques Les manchons coulissent télescopique- ment lors des variations de température Les parois internes des segments de collecteur se raccordent en coulissant à des canaux usinés dans les bases des injecteurs Leraccord coulissant permet l'adaptation aux effets thermiques et aux accumulations de tolérances par une interaction m 5 le- femelle Quand toutes ces pièces sont assemblées, elles se raccordent afin de former une conduite de combustible d'un seul tenant à double paroi. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent: Figure 1, une vue en coupe d'un moteur à turbine à gaz classique; Figure 2, une vue en perspective d'un système d'alimen- 'tation en combustible de l'art antérieur; Figure 3, une vue en perspective d'un système d'alimen- tation en combustible en partie démonté dans une réalisation de la présente invention; 2504 125 Figure 4, une vue en coupe d'un segment de collecteur de combustible qui forme une partie de la présente invention; Figure 5, une vue, partiellement en coupe et partielle- ment éclatée d'un injecteur de combustible qui forme une partie de la présente invention; et, Figure 6, une vue en coupe d'un tube d'alimentation en combustible et d'une partie d'un segment de collecteur de combustible de la présente invention. En se référant maintenant à la figure 1, on a représenté un moteur ( 10) à turbine à gaz classique de manière à montrer comment les composants de base du moteur sont situés les uns par rapport aux autres. Partant d'une extrémité amont du moteur 10, l'air exté- rieur s'écoule dans le moteur par une admission 12 Tout d'abord, on le comprime et on l'accélère par une soufflante 14 Il pénètre ensuite dans un compresseur 16 o il est de nouveau comprimé jusqu'au point o il peut entretenir le processus de combustion. La combustion a effectivement lieu dans une chambre de combustion 18 L'air comprimé qui provient du compresseur 16 est mélangé avec du combustible et le mélange est dirigé dans la chambre de combustion 18 par un injecteur de combus- tible 20 Le mélange air-combustible est continuellement enflammé et brûlédans la chambre de combustion 18 pour former des gaz de combustion à pression et températures élevées qui fournissent une source d'énergie au moteur 10. Pour utiliser cette source d'énergie, les gaz de combustion sont dirigés à grande vitesse dans une section de turbine 22 o les gaz entraînent le rotor 24 d'une turbine Le rotor 24 de la turbine fournit à son tour de l'énergie à un arbre de turbine 25 qui peut alors être utilisé pour fournir de l'énergie mécanique pour n'impor-te quel usage final souhaité On peut utiliser l'arbre 25 pour actionner une hélice d'avion, une pale d'hélicoptère, une soufflante à poussée normale ou pour tous autres usages. Un des problèmes inhérent au fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz provient des effets des températures élevées que l'on trouve dans la région de combustion Ces températures 2504 195 élevées provoquent des contraintes thermiques énormes dans les composants du moteur qui doivent, structurellement, s'adapter aux effets des dilatations et des retraits thermi- ques Ceux qui conçoivent les moteurs doivent accorder une attention encore plus grande aux risques encourus du fait de ces températures élevées Les problèmes dus aux fuites de combustible prennent de l'importance dans la région autour de la chambre de combustion 18 vers laquelle on doit envoyer le combustible sans risques et de manière sûre par un système d'alimentation 26 Dans un moteur à turbine à gaz classique, le système d'alimentation en combustible 26 doit être capable de supporter les températures supérieures à 4270 C qui règnent généralement autour de la chemise 28 de la chambre de combustion. En se référant maintenant à la figure 2, on décrit un système d'alimentation en combustible 30 de l'art antérieur qui peut être utilisé dans un moteur tel que celui de la figure 1 Ce système est constitué par un tube d'alimentation en combustible 32 et un collecteur de combustible 34 Classi- quement, le collecteur 34 s'étend autour de la chemise de la chambre de combustion dumoteur pour fournir du combustible à une série d'injecteurs 20 Les injecteurs envoient ensuite le combustible dans la chambre de combustion pour entretenir la combustion. On a représenté figure 3, un système d'alimentation en combustible en partie démonté qui comporte une réalisation de la présente invention. Ce système d'alimentation en combustible 26 peut aussi être utilisé dans un moteur à turbine à gaz classique tel celui représenté à la figure 1 Le système d'alimentation 26 comporte un tube d'alimentation en combustible 32 qui fournit du combustible à un collecteur de combustible 34. Le collecteur 34 entoure la chemise de la chambre de combustion (non représentée figure 3) et fournit du combustible à chaque injecteur de combustible 20 d'une série. Un caractère distinctif du système d'alimentation en combustible de la présente invention consiste en ce que le collecteur 34 est constitué par un agencement qui réalise 2504 195 un trajet d'écoulement primaire du combustible entouré de plusieurs parois Ceci est rendu possible par l'utilisation de segments de collecteur 36 à double paroi qui raccordent les injecteurs de comibustible 20, lesquels sont usinés de façon à avoir un double trajet d'écoulement, pour former par assemblage une conduite de combustible d'un seul tenant à double paroi Par ce système de construction, le collecteur réalise un trajet d'écoulement primaire à l'intérieur d'une paroi interne 38 ayant la forme d'un tube souple et un trajet d'écoulement secondaire entre la paroi intérieure 38 et une paroi extérieure 40 Figure 3, on a représenté une paroi intérieure 38 et une paroi extérieure 40 d'un segment complet du collecteur à côté du collecteur 34 en partie démonté. On réalise le trajet d'écoulement secondaire pour renvoyer tout le combustible qui s'échappe du trajet d'écoulement primaire vers le tube d'alimentation en combustible 32 et de là l'évacuer hors du moteur La paroi extérieure 40 réalise aussi une isolation thermique et une protection contre le feu du trajet d'écoulement primaire On peut réaliser, dans des variantes de l'invention, des trajets supplémentaires d'écoulement du combustible. En se référant maintenant à la figure 4, on a représenté un segment de collecteur 36 complet et la base 42 d'un injec- teur 20 Sur cette figure on peut facilement voir la cons- truction à double paroi du collecteur Dans cette réalisation la paroi extérieure 40 comporte deux ou plus manchons télescopiques 44 et 48 A l'endroit o loq manchons sont concentriques, on forme une rainure dans un manchon intérieur 48 et on y introduit un joint torique afin de réaliser un raccordement coulissant entre le manchon intérieur et un manchon extérieur 44 de façon à assurer l'étanchéité à l'endroit o les manchons se chevauchent Ce raccordement coulissant entre les manchons permet au segment 36 de se dilater et de se rétrécir par un mouvement télescopique. Ainsi par nature, cet agencement s'adapte à des déplacements matériels à l'endroit des raccordements On assure l'étan- chéité des manchons à l'endroit des raccordements avec les bases 42 des injecteurs au moyen de joints toriques 50 2504 195 placés dans des crans 51 qui servent de fixations mécaniques et de jointsd'étanchéité. Dans une réalisation de l'invention, la paroi intérieure 38 est une partie d'un dispositif à tube souple en téflon 52 On peut enfermer le dispositif 52 dans un manchon anti- feu 53 pour avoir une protection supplémentaire On raccorde une extrémité du dispositif 52 à la base 42 de l'injecteur au moyen d'un raccord mécanique 54 A l'autre extrémité le tuyau 52 est inséré dans la base de l'injecteur pour former un raccordement mâle-femelle avec un double joint torique d'étanchéité 56. Le raccordement mâle-femelle permet au tuyau 52 de coulisser dans la base de l'injecteur pour s'adapter aux accroissements de températures et aux tolérances mécaniques. En se référant maintenant à la figure 5, on a représenté un injecteur de combustible 20 utilisé dans la présente invention Comme dans le cas des segments de collecteur 36 à double paroi, on réalise deux trajets d'écoulement dans la base 42 de l'injecteur: un primaire et un secondaire. Le trajet d'écoulement primaire est un canal intérieur 58 situé dans la base 42, avec des ouvertures à chaque extrémité qui communiquent avec le trajet d'écoulement primaire des segments 36 attenants Le trajet d'écoulement secondaire est un canal extérieur 60 qui communique avec le trajet d'écoulement secondaire de chacun des segments attenants. Par ce raccordement particulier entre les segments 36 et les injecteurs 20, on réalise une conduite de combustible à double paroi qui comporte des trajets d'écoulement complets primaire et secondaire. lement du combustible 62 s'étend dans toute la longueur du corps de l'injecteur jusqu'à une tête d'injection par pulvérisation 64 On pulvérise le combustible par la tête d'injection dans la chambre de combustion du moteur pour alimenter le processus de combustion. En se référant maintenant à la figure 6, on a représenté une partie du tube d'alimentation 32 et son intersection 2504 195 avec un segment de collecteur 36 De même que dans le cas de la conduite, on a utilisé un agencement à double paroi pour réaliser des trajets d'écoulement primaire et secondaire. Le trajet d'écoulement primaire 66 du tube d'alimentation 32 communique directement avec le trajet d'écoulement primaire de la base 42 de l'injecteur, et de la même façon, le trajet d'écoulement secondaire 68 du tube d'alimentation communique directement avec le trajet d'écoulement secondaire de la base 42 de l'injecteur Ceci permet d'évacuer hors de la conduite les fuites de combustible par un raccord de purge 69. 2504 195 REVENDICATIONS 1 Système d'alimentation en combustible amélioré pour un moteur à turbine à gaz ( 10) comportant une chambre de combustion ( 18), un système d'alimentation en combustible ( 26) pour la chambre de combustion ( 18) et une série d'in- jecteurs ( 20) pour transporter le combustible à travers la chemise ( 28) de la chambre de combustion et l'injecter dans la chambre de combustion ( 18); système caractérisé en ce qu'il comporte: un collecteur de combustible ( 34) réalisant au moins un trajet d'écoulement primaire et un trajet d'écoulement secondaire pour le combustible autour de la chemise ( 28) de la chambre de combustion ( 18), ce collecteur étant constitué par une série de segments ( 36) qui raccordent les bases ( 42) des injecteurs de combustible ( 20) pour former une conduite de combustible d'un seul tenant. 2 Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trajet d'écoulement primaire du collecteur de combustible ( 34) est entouré par plusieurs parois ( 38,40). 3 Système d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les segments de collecteur ( 36) com- portent des manchons télescopiques ( 44,48) permettant l'adap- tation aux déplacements matériels à l'endroit des raccorde- ments du collecteur. 4 Système d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque segment ( 36) comporte des manchons télescopiques extérieurs ( 44, 48) qui forment des parties d'une paroi extérieure du collecteur de combustible ( 34), et en ce que chaque segment ( 36) comporte aussi un manchon intérieur ( 53) concentrique qui se raccorde en coulissant avec un canal de la partie inférieure ( 42) de chacun des injecteurs ( 20) formant ainsi une paroi intérieure ( 38) entourant le trajet d'écoulement primaire. Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur d'alimentation ( 34) comporte: des segments ( 36) qui raccordent les bases des injec- 2504 155 teurs ( 20), chaque segment ayant au moins un manchon formant une paroi extérieure et un dispositif ( 52) formant une paroi intérieure du segment; des bases ( 42) d'injecteur ( 20) placées entre les segments de collecteur ( 36), chaque partie comportant un canal intérieur ( 58) communiquant avec le dispositif ( 52) des segments de collecteurs attenants réalisant ainsi un trajet d'écoulement primaire; et chaque base ( 42) d'injecteur ( 20) comportant aussi un canal extérieur ( 60) communiquant avec une région située entre la paroi extérieure ( 40) et la paroi intérieure ( 38) de chaque segment adjacent ( 36), réalisant ainsi un trajet d'écoulement secondaire. 6 Segment d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi extérieure ( 40) de chaque segment comporte au moins deux manchons télescopiques ( 44,48) qui comportent un joint d'étanchéité ( 50) à l'endroit o les deux manchons se chevauchent. 7 Système d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'au moins une des extrémités du dispositif ( 52) est insérée dans le canal intérieur ( 58) de la base ( 42) de l'injecteur de combustible ( 20) et que le dispositif ( 52) comporte une structure coulis- sante étanche ( 56) entre le dispositif ( 52) et la base ( 42) de l'injecteur ( 20). 8 Système d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un tube d'alimen- tation ( 32) en combustible à double paroi qui fournit du combustible à la conduite ( 34), ce tube d'alimentation ( 32) comportant un trajet d'écoulement primaire ( 66) communiquant avec le trajet d'écoulement primaire de la conduite; et un trajet d'écoulement secondaire ( 68) communiquant avec le trajet d'écoulement secondaire de la conduite pour évacuer les fuites de combustible. 2504 195 9 Système d'alimentation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les raccordements entre la paroi extérieure des segments de collecteur ( 36) et les bases ( 42) des injecteurs ( 20) comportent des joints toriques ( 50) dans des crans ( 51) qui servent de fixations mécaniques et de joints d'étanchéité au combustible.