Brevet FR2566841A1 — publié le 19860103

L'invention concerne de manière générale des in jecteurs de combustible et, plus particulièrement, des in jecteurs de combustible à section variable utilisés dans un moteur à turbine à gaz. Un moteur à turbine à gaz fonctionne sur une gamme de puissance allant du démarrage à la puissance maximum et nécessite des débits de combustible faibles et élevés, res- pectivement. Différents types d'injecteurs de combustible sont connus de la technique antérieure et fournissent de manière appropriée du-combustible à une chambre de combus- tion du moteur. Les injecteurs de combustible classiques sont constitués par exemple par les types connus comme sim- plex, duplex, à double orifice à ouverture variable, à dé- charge ou à boisseau. Ces différents injecteurs de combusti- ble classiques sont de complexité et de rendement variable, et essaient de fournir des caractéristiques optimum d'atomi- sation de combustible et de débit pour les différents régla- ges.de puissance du moteur. En outre, un injecteur de combustible classique est typiquement conçu pour opérer avec seulement une classe particulière de combustible. Cependant, pour un moteur à turbine à gaz pour véhicule terrestre, par exemple, la capa- cité de fonctionner en utilisant des combustibles variés peut être souhaitable; par exemple, un véhicule capable de fonctionner avec des combustibles liquides tels que le -2- gasoil ou l'essence. Cependant, l'utilisation de l'essence pour un véhicule ayant des injecteurs de combustible classi- ques peut avoir pour résultat l'ébullition du combustible dans les conditions de fonctionnement à basse puissance lorsque le moteur est relativement chaud. L'ébullition du combustible aura un effet dommageable sur le fonctionnement du moteur. En conséquence, la présente invention a pour buts de réaliser: - un nouvel injecteur de combustible amélioré pour un moteur à turbine à gaz - un injecteur de combustible relativement simple comportant une seule partie mobile; - un injecteur de combustible à section variable et - un injecteur de combustible ayant une ouverture de décharge à étranglement variable pour maintenir la pres- sion du combustible au-dessus de la pression de vaporisation pour empêcher son ébullition. Selon un mode de réalisation de la présente inven- tion, on a réalisé un injecteur de combustible comportant un corps creux ayant une entrée, une sortie et une surface fi- xe. Pour moduler le débit de combustible entre l'entrée et la sortie on a réalisé des moyens qui comportent un diaphra- gme souple, sensible à la pression monté rigidement dans le corps et ayant un bord libre placé contigu à la surface fixe du corps pour définir avec cette dernière une ouverture de décharge. La section de débit de l'ouverture de décharge peut augmenter en réponse à une pression de combustible ac- crue à l'entrée à mesure que la pression du combustible agit contre le diaphragme pour écarter le bord de la surface fixe du corps. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Figure 1, une vue en coupe d'un injecteur de - 3 combustible selon un mode de réalisation de la présente in- vention; - Figure 2, une vue en coupe de bout de l'injec- teur de la figure 1 prise selon la ligne 2-2. On a représenté figures 1 et 2 un mode de réalisa- tion recommandé de l'injecteur de combustible 10 selon la présente invention. L'utilisation d'un injecteur de combus- tible dans un moteur à turbine à gaz est classique. Par exemple, on peut utiliser l'injecteur de combustible 10 dans un moteur à turbine à gaz du type décrit dans le brevet des Etats-Unis n 3 589 127 incorporé ici par référence. Par conséquent, on ne décrira ci-dessous que les détails de l'injecteur de combustible 10. L'injecteur de combustible 10 comporte un corps creux cylindrique, indiqué par la référence générale 12, qui a une entrée de combustible 14 pour recevoir le combustible comprimé 16 à partir d'une pompe à combustible (non repré- sentée). Le corps creux 12 -comporte aussi une sortie de com- bustible 18, qui, ainsi que l'entrée 14, est placée coaxia- lement autour d'un axe central 20 de l'injecteur 10. Le corps creux 12 comprend une enveloppe extérieu- re 22 et un élément central 24 espacé radialement vers l'in- térieur par rapport à l'enveloppe. L'élément central 24 com- prend une extrémité conique aval 26 dont le diamètre diminue vers l'aval. L'extrémité conique 26 de l'élément central du corps 12 comprend une surface extérieure annulaire fixe 28. On a réalisé des moyens pour moduler le débit de combustible, indiqués par la référence générale 30, entre l'entrée 14 et la sortie 18 et ces moyens comportent un dia- phragme métallique sensible à la pression, auto-manoeuvrant, élastiquement souple 32 monté rigidement de manière appro- priée dans l'enveloppe 22. Le diaphragme 32 comporte un bord libre 34, qui, dans le mode de réalisation de l'invention, est délimité par un orifice central 36 du diaphragme 32. Le bord 34 est contigu à la surface extérieure 28 de l'extrémi- 4- té conique pour définir avec cette surface une ouverture de décharge 38. Dans le mode de réalisation de l'invention repré- senté ici, le diaphragme 32 prend une première position ini- tale non sous pression dans laquelle le bord 34 est placé directement en contact avec la surface extérieure 28. De manière à réaliser une section d'écoulement minimum pour l'ouverture de décharge 38, une rainure orientée tangentiel- lement 40, et de préférence deux rainures 40 disposées à 180 l'une par rapport à l'autre sont réalisées dans la sur- face extérieure conique 28 (voir figure 2). Les rainures 40 sont de préférence rectilignes mais peuvent être incurvées. La taille et les propriétés physiques du diaphra- gme 32 sont conçues de manière prédéterminée de telle sorte que l'orifice central 36 s'écarte de la surface extérieure conique 28 en réponse à une pression accrue du combustible 16 qui agira contre le diaphragme 32 pour augmenter ainsi la section d'écoulement de l'ouverture de décharge 38. Dans le mode de réalisation recommandé représenté, le diaphragme 32 est constitué par une rondelle de type Belleville qui a pour effet de fonctionner pratiquement selon deux positions seu- lement, pour assurer que la totalité des injecteurs 10 uti- lisés dans le moteur à turbine à gaz fonctionne avec prati- quement des sections d'écoulement de décharge identiques. Il est recommandé d'avoir des sections d'écoulement de décharge prédéterminées pratiquement fixes qui soient harmonisées parmi la totalité des injecteurs et ceci ne pourrait avoir lieu si l'on utilisait un diaphragme 32 variant de manière continue du fait des différences dans les tolérances de fa- brication par exemple. Les deux positions de fonctionnement du diaphragme 32 sont constituées par: une première position telle que représentée lorsque l'ouverture de décharge 38 a une section d'écoulement minimum qui comprend les rainures 40, et une deuxième position (représentée en traits discontinus) dans laquelle l'ouverture de décharge 38 a une section d'écoule- ment maximum. Le diaphragme 32 a des dimensions telles que la première position peut être maintenue pour des pressions de combustible relativement faibles (par exemple en régime S de croisière et en fonctionnement à basse puissance du mo- teur nécessitant peu de combustible), et après avoir atteint une pression intermédiaire, le diaphragme 32 se placera dans la deuxième position et y demeurera pour des pressions rela- tivement élevées (par exemple des modes de fonctionnement du moteur allant d'une puissance intermédiaire jusqu'à la puis- sance maximum et nécessitant des quantités notables de com- bustible). Bien sûr, le diaphragme 32 peut avoir des dimen- sions telles que la section de l'ouverture de décharge 38 varie de manière continue en réponse à une pression crois- sante de la pompe de combustible 16. L'élément central 24 comporte aussi une bride d'extrémité annulaire 42 s'étendant radialement vers l'exté- rieur à partir d'une extrémité amont de cet élément vers la surface intérieure de l'enveloppe 22 pour permettre de mon- ter rigidement l'élément central 24 dans l'enveloppe 22. Comme représenté figure 1, le diaphragme 32 comporte un pé- rimètre extérieur 44 qui est placé contre un épaulement 46 de l'enveloppe 22. Un manchon annulaire 48 est placé entre la bride d'extrémité de l'élément central 42 et le périmètre extérieur du diaphragme 44. Un anneau de retenue 50 est fixé de manière appropriée, par exemple, par filetage, dans l'en- veloppe 22 pour appuyer la bride d'extrémité 42 à son tour contre le manchon 48, le périmètre extérieur du diaphragme 44 et l'épaulement de l'enveloppe 46 pour fixer de manière rigide ces éléments à l'enveloppe 22. La bride d'extrémité 42 comporte au moins une et de préférence deux, ouvertures d'entrée orientées tangen- tiellement 52 et qui communiquent avec l'entrée de l'enve- loppe 14. L'élément central 24 comportant la bride 42, l'en- veloppe 22 et le diaphragme 32 définissent entre eux une -6- chambre de tourbillon 54. Le combustible 16 en provenance de l'entrée 14 reçu par l'ouverture d'entrée 52 est canalisé par les ouvertures 52 grâce à quoi il tourbillonne dans la chambre 54. Dans la mesure o les rainures placées tangen- tiellement 40 se trouvent aussi dans l'ouverture de décharge 38 et que cette ouverture communique avec 1-a chambre 54, le combustible 16 subit de nouveau un mouvement tourbillonnaire après avoir quitté l'ouverture de décharge 38. La sortie 18 du corps creux 12 et de l'enveloppe 22 comporte une surface intérieure tronconique 56 s'étendant à partir du diaphragme 32 en lui étant adjacente et augmen- tant de diamètre vers l'aval. La surface intérieure 56 re- çoit le combustible 16 animé d'un mouvement tourbillonnaire provenant de l'ouverture de décharge 38, et en coopération avec l'ouverture d'entrée 52, la chambre 54 et l'ouverture de décharge 38 a pour effet d'envoyer le combustible 16 va- porisé sous forme d'un jet ayant une configuration générale de cône creux à partir de la sortie 18 autour de l'axe cen- tral 20. On remarquera que l'injecteur de combustible 10 comportant les moyens de modulation de'combustible 30 four- nit un injecteur de combustible à section variable relative- ment simple ayant un seul élément mobile c'est-à-dire le diaphragme 32. Dans le mode de réalisation recommandé repré- senté ici, l'injecteur de combustible 10 a pour effet aussi ae fournir un étranglement variable de l'écoulement à l'ou- verture de décharge 38. Plus particulièrement, lorsque le combustible 16 est envoyé à travers l'ouverture d'entrée 52 et dans la 3.0 chambre de tourbillon 54, l'ouverture de décharge 38 lors- qu'elle est placée dans sa première position réalise un étranglement de l'écoulement dû à sa section d'écoulement minimum. Ceci permet à la pression du combustible 16 d'être maintenue 'à l'intérieur de la chambre de tourbillon 54. Par exemple, lorsqu'on utilise du combustible liquide tel que de 7 - l'essence et lorsque le moteur fonctionne dans des condi- tions de faible puissance pour lesquelles la pression des gaz de combustion P à la sortie de l'injecteur 18 est rela- tivement faible et la température du combustible est relati- vement élevée, on peut éviter l'ébullition du combustible 16 dans la mesure-o l'étranglement de l'écoulement à l'ouver- ture de décharge 38 a pour effet de maintenir la pression du combustible 16 au-dessus de sa pression de vaporisation. Sans étranglement de l'écoulement dans ce mode de fonction- nement, le combustible 16 s'écoulerait beaucoup plus libre- ment à partir de l'ouverture de décharge 38 et là o la pression de combustion P est inférieure à la pression de vaporisation du combustible, la pression du combustible 16 tomberait en-dessous de la pression de vaporisation et on aurait une ébullition. Cependant, lors du fonctionnement à puissance éle- vée du moteur, la pression P des gaz de combustion. augmente bien au-dessus de la pression de vaporisation du combusti- ble, et aura a pour effet de maintenir une pression de com- bustible adéquate à l'intérieur de la chambre de tourbillon 54 pour empêcher l'ébullition. Pendant ce fonctionnement à puissance élevée du moteur, le diaphragme 32 est placé dans sa seconde position moins restrictive d'écoulement et aug- mente par conséquent la section d'écoulement de l'ouverture de décharge 38 tout en diminuant la résistance à l'écoule- ment. En conséquence, l'homme de l'art remarquera, à partir de cette description, que l'injecteur de combustible selon la présente invention a pour effet de permettre un bon rendement dans les différentes conditions de fonctionne- ment du moteur nécessitant différentes quantités de combus- tible. En particulier, le moyen de modulation de combustible permet d'obtenir des débits accrus de combustible sans avoir les pressions de combustible élevées non souhaitées qui autrement seraient nécessaires dans un injecteur de com- -8- bustible du type à géométrie fixe. En outre, l'étranglement de l'écoulement est réalisé pour des débits et pressions de combustible relativement faibles lorsque cela est souhaita- ble, mais on diminue l'étranglement de l'écoulement pour les débits et les pressions de combustible relativement élevés lorsque cela n'est plus souhaitable. En conséquence, l'injecteur de combustible 10 réalise à la fois une section variable et un étranglement variable selon un mode de coopération recommandé avec les modes de fonctionnement du moteur et, bien sûr, avec une atomisation acceptable du combustible pendant toutes les conditions de fonctionnement du moteur. Bien que l'on ait décrit ici un mode de réalisa- tion recommandé de l'invention, d'autres modes de réalisa- tion seront apparents à l'homme de l'art. Par exemple, bien que le diaphragme 32 soit monté rigidement à l'endroit du périmètre extérieur 44 et comporte l'orifice central 36 coo- pérant avec l'extrémité conique 26, un autre mode de réali- sation peut comporter un diaphragme perforé 32 fixé rigide- ment en sa partie centrale avec le périmètre extérieur 44 venant librement en appui contre la surface conique 56. En conséquence, une augmentation de la pression du combustible 16 dans une telle combinaison déplacera le périmètre exté- rieur 44 du diaphragme 32 pour délimiter une ouverture de décharge à section variable. Cependant, bien que cet autre mode de réalisation permette d'obtenir un combustible animé d'un mouvement tourbillonnaire, le débit ou'la vitesse tan- gentielle de ce tourbillon sera nettement inférieure à celle que l'on peut obtenir à travers l'ouverture de décharge 38 du mode de réalisation recommandé représenté figure 1, ceci étant dû aux différences de rayons des ouvertures de déchar- ge correspondantes. g -9 REVENDICATIONS 1. Injecteur de combustible caractérisé en ce qu'il comporte: - un corps creux (12) comportant une entrée (14), une sortie (18) et une surface fixe (28); - des moyens pour moduler le débit de combustible entre l'entrée et la sortie comportant un diaphragme (32) sensible à la pression, monté rigidement sur le corps et ayant un bord (34) qui est contigu à la surface fixe (28) du corps et qui définit avec cette dernière une ouverture de décharge (38), cette ouverture de décharge ayant une section d'écoulement que l'on peut augmenter en réponse à une pres- sion de combustible accrue à l'entrée (16) dans la mesure o cette pression de combustible agit sur le diaphragme pour écarter le bord (34) de la surface (28) du corps. 2. Injecteur de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme (32) et l'ouverture de décharge (38) ont pour effet de réaliser un étranglement d'écoulement au niveau de l'ouverture (38) de sorte que l'on peut maintenir la pression de combustible dans le corps (12) à une valeur supérieure à la pression de vaporisation dudit combustible pour empêcher son ébullition. 3. Injecteur de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps creux (12) comporte une enveloppe extérieure (22) et un élément central (24) espacé radialement vers l'intérieur par rapport à l'enveloppe, cet élément central (24) comportant une extrémité conique aval (26) ayant une surface extérieure (28) qui définit la surfa- ce fixe du corps, et le diaphragme (32) comportant un péri- mètre extérieur (44) fixé rigidement à l'enveloppe (22) et un orifice central (36) définissant ledit bord (34) et coo- pérant avec l'extrémité conique (26) pour définir l'ouvertu- re de décharge (38). 4. Injecteur de combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément central (24) comporte en - 10 - outre une bride d'extrémité (42) à une de ses extrémités amont pour permettre le montage rigide de cet élément cen- tral à l'enveloppe (22) et en ce que l'enveloppe (22), la bride (42), l'élément central (24), et le diaphragme (32) définissent une chambre (54) , la bride (42) comportant une ouverture d'entrée tangentielle (52) communiquant avec l'en- trée du corps (14), l'ouverture de décharge (38) permettant l'écoulement à partir de la chambre (54) vers la sortie du corps (18), et la chambre (54) permettant au combustible de subir un mouvement tourbillonnaire à partir de l'ouverture d'entrée vers l'ouverture de décharge. 5. Injecteur de combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'extrémité conique (26) de l'élé- ment central comporte une rainure tangentielle (40) qui dé- finit une partie de l'ouverture de décharge (38) et qui a pour effet d'imprimer un mouvement tourbillonnaire au com- bustible déchargé dans la sortie (18) du corps. 6. Injecteur de combustible selon la revendication , caractérisé en ce que la sortie du corps (18) comporte une surface intérieure tronconique (56) s'étendant à partir du diaphragme en lui étant adjacente et qui augmente de dia- mètre vers l'aval, et en ce que l'ouverture d'entrée (52), la chambre (54) , et l'ouverture de décharge (38) ont pour effet d'imprimer un mouvement tourbillonnaire au combustible le long d'un axe central longitudinal (20) de l'injecteur pour créer un jet de combustible tourbillonnaire vaporisé ayant une configuration de cône creux le long de la surface tronconique et à l'extérieur de l'injecteur. 7. Injecteur de combustible caractérisé en ce qu'il comporte: une enveloppe extérieure (22) ayant un axe central longitudinal (20), une entrée (14) et une sortie (18); un élément central (24) allongé espacé radialement vers l'intérieur de l'enveloppe et placé coaxialement par rapport à l'axe central, l'élément central (24) ayant une - 11 - bride d'extrémité annulaire (42) placée à une extrémité amont pour permettre le montage rigide de cet élément (24) à l'enveloppe (22), la bride (42) ayant une ouverture d'entrée (52) qui communique avec l'entrée (14) de l'enveloppe (22), l'élément central comportant en outre une extrémité aval conique (26) de diamètre décroissant vers l'aval; et des moyens pour moduler le débit de combustible entre l'entrée (14) et la sortie (18) comportant un diaphra- gme (32) souple, sensible à la pression ayant un périmètre extérieur (44) fixé rigidement à l'enveloppe et un orifice central (36) adjacent à et coaxial avec l'extrémité conique (26) de l'élément central (24) et définissant entre eux une ouverture de décharge (38), cette ouverture de décharge ayant une section d'écoulement que l'on peut augmenter en réponse à l'augmentation de la pression du combustible dans l'entrée dans la mesure o la pression de combustible agit contre le diaphragme (32) pour déplacer l'orifice central (36) par rapport à l'extrémité conique (26) de l'élément central (24). 8. 'Injecteur de combustible selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bride (42), l'élément central (24), l'enveloppe (22) et le diaphragme (32) définissent une chambre annulaire (54) communiquant avec l'ouverture d'en- trée (52) et l'ouverture de-sortie (18), l'ouverture d'en- trée (52) étant placée tangentiellement pour imprimer un mouvement tourbillonnaire au combustible dans la chambre (54), l'extrémité conique (26) de l'élément central compor- tant une rainure tangentielle (40) pour imprimer un mouve- ment tourbillonnaire au combustible à travers l'ouverture de décharge (38), et la sortie (18) de l'enveloppe (22) compor- tant une surface intérieure tronconique (56) de diamètre croissant vers l'aval grâce à quoi le combustible subit un mouvement tourbillonnaire dans la chambre (54) et dans la sortie (18) de l'enveloppe pour créer un écoulement de com- bustible vaporisé en forme de cône creux pratiquement uni- - 12 - forme. 9. Injecteur de combustible selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diaphragme (32) ne fonctionne pratiquement que dans deux positions, une première position S dans laquelle l'ouverture de décharge (38) a une section d'écoulement minimum et une deuxième position dans laquelle l'ouverture de décharge (38) a une section d'écoulement ma- ximum, la première position pouvant être maintenue pour des pressions de combustible relativement faibles et la deuxième position pouvant être maintenue pour des pressions de com- bustible relativement élevées.