Brevet FR2588919A1 — publié le 19870424

DISPOSITIF D'INJECTION A BOL SECTORISE L'invention concerne l'alimentation en carburant et en air primaire d'une chambre de combustion notamment pour turbo- machine. Les chambres de combustion traditionnelles comportent généralement une zone primaire à richesse élevée et une zone de dilution. Dans la zone primaire, est injectée une partie du débit d'air primaire, d'une part au moyen de vrilles de turbulences internes et externes destinées à créer un cône de pulvérisation du carburant sortant de l'injecteur, d'autre part au moyen d'orifices du fond de chambre et des parois internes et externes de la chambre de combustion. Le choix de la fraction d'air à injecter dans la zone primaire résulte d'un compromis entre les performances de la chambre de combustion au plein gaz émission de fumées, tenue thermique des parois, réparti- tion des températures et les performances en régime de ralenti: rendement, stabilité. En raison de l'accroissement des performances demandées aux chambres de combustion des moteurs modernes, le compromis entre performances au ralenti et au plein gaz est de plus en plus difficile à trouver. Pour y parvenir, une première solution a consisté à réaliser des chambres à deux modules: l'un adapté au régime de plein gaz et l'autre au régime de ralenti. Les chambres lourdes, car volumineuses, et coûteuses, car elles nécessitent le doublement des points d'injection, posent également des problèmes de régulation aux régimes intermédiaires. Pour éviter les problèmes rencontrés avec les chambres de combustion initiales et les chambres à deux modules dont il vient d'être question, une autre voie a été abordée qui 2 2588919 consiste & adapter de manière continue la répartition du débit d'air en fonction du régime au moyen de volets mobiles aptes à diaphragmer plus ou moins les entrées d'air de la chambre, ce qui permet une optimisation continue du fonctionnement de la chambre, donc une réduction importante du volume de combustion et ainsi de l'encombrement de la chambre. Une première approche de cette solution est montrée dans les brevets français - 2 491 139 et 2 491 140 qui divulguent des diaphragmes adaptés à une vrille de turbulence externe radiale ou axiale d'un dispositif d'injection par ailleurs totalement traditionnel. Ces dispositifs ont pour inconvénients un mauvais guidage de l'air à l'entrée des vrilles ainsi que la génération de sillages importants à l'intérieur de la chambre de combustion. D'autre part, ont été développés des injecteurs aéro- dynamiques à bol tels que ceux décrits dans les brevets antérieurs de la demanderesse: FR 2 357 738 et FR 2 391 359. Ces injecteurs sont montés sur le fond de chambre avec interposition d'une pièce intermédiaire appelée bol comportant une partie tronconique évasée vers l'aval et percée d'une multiplicité de trous de faible diamètre par lesquels de l'air à forte pression pénètre dans le cône de carburant pulvérisé. Par les turbulences qu'il crée et le mélange intime qu'il réalise, ce bol complète le rôle de l'injecteur, agit sur la composition de mélange et permet la création d'une mini zone primaire au ralenti. Pour améliorer ces injecteurs aérodynamiques à bol inter- médiaire, on a doté leur vrille de turbulence externe ainsi que l'admission d'air des trous de bolide diaphragme permettant d'en moduler le débit de sortie pour adapter la richesse du mélange air-carburant en sortie de bol à toutes les conditions de fonctionnement de la chambre de combustion et ainsi adapter cette richesse à tous les régimes intermédiaires entre le ralenti et le plein gaz. Une telle disposition est prévue par la demande de brevet français n 84. 16536 au nom de la demanderesse déposée le octobre 1984. La présente invention a pour but d'améliorer ces types d'injecteurs aérodynamiques à bol intermédiaires en les conformant de telle sorte qu'ils contribuent, d'une part, à améliorer le refroidissement des parois de la chambre de combustion et, d'autre part, à améliorer le rendement au ralenti, notamment lorsqu'ils sont montés dans des chambres de combustion annulaires sur le fond desquelles ils sont régulièrement répartis, ceci en utilisant au mieux les zones de recirculation localisées existant entre les injecteurs adjacents. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif d'injection d'air et de carburant dans une chambre de combustion notamment de turbomachine comprenant au moins un injecteur de carburant, une vrille de turbulence exter- ne pour le passage d'air de pulvérisation du carburant, équipée d'un diaphragme de modulation de débit d'entrée d'air, un corps en forme de bol comportant un voile aval évasé dans le sens de l'écoulement et pourvu d'une rangée de trous de bol pour l'injection d'air dans le cône de carburant pulvérisé et une chambre de refroidissement par impact formée par le voile aval, une bague intermédiaire et une jupe externe possédant des orifices d'entrée d'air. Selon l'invention, la chambre est divisée en quatre secteurs égaux, diamétralement opposés deux à deux et séparés par des cloisons radiales, deux premiers secteurs comportant des trous de bol de faible diamètre et deux seconds secteurs comportant des trous de bol de gros diamètre. Selon une particularité de l'invention, le diamètre des trous des premiers secteurs est calculé pour un fonction- nement optimisé de la chambre de combustion au ralenti et le diamètre des trous des seconds secteurs pour un ren- dement optimisé au régime plein gaz. Selon une autre particularité de l'invention, le dispositif d'injection comporte un diaphragme de modulation du débit d'air des trous de bol de gros diamètre des seconds secteurs. Dans le cas o l'invention est appliquée à une chambre de combustion annulaire comportant plusieurs injecteurs adjacents les uns aux autres, répartis en couronne sur le fond de la chambre de combustion, on oriente les bols de telle sorte que les premiers secteurs de chaque bol soient disposés côte à côte tandis que les seconds secteurs des bols possédant des trous de gros diamètre sont orientés vers les parois interne et externe de la chambre de com- bustion pour en améliorer le refroidissement au régime plein gaz. D'autres caractéristiques de l'invention seront expli- citées en regard des planches de dessins représentant de façon non limitative des modes de réalisation de l'inven- tion. La figure 1 montre, en coupe longitudinale, une chambre de combustion équipée d'un dispositif d'injection selon l'invention. La figure 2 montre, en demi-coupe longitudinale, un mode de réalisation de l'invention, sans le corps de l'injecteur de carburant proprement dit. La figure 3 montre une coupe du bol de l'invention selon une coupe III-III de la figure 2. La figure 4 montre une coupe IV-IV de la figure 2. La figure 5 schématise l'orientation des dispositifs selon l'invention appliqués à une chambre de combustion annulaire. Sur la figure 1 est représentée en demi-coupe longi- tudinale une chambre de combustion annulaire 1 pour turbomachine comprenant le système d'injection selon l'invention. La chambre 1 est comprise entre un carter externe 2 et une virole interne 3 qui délimitent la veine de gaz comprimés. Une fraction Fl de l'air amont provenant du compresseur (non représenté) est guidée à travers le système d'injection 4 pour la formation du mélange car- buré. Celui-ci passe dans la zone primaire 5 oû ont lieu les réactions de combustion, puis les gaz produits sont dilués dans la zone de dilution 6 et refroidis dans la zone secondaire aval 7 et sont distribués vers la turbine, non représentée, qu'ils entraînent. L'injecteur dont seul le corps 8 est figuré en pointillé à la figure 1 est relié au fond 9 de la chambre de combus- tion par un bol intermédiaire 10 dont la structure parti- culière fait l'objet de l'invention. Le système d'injec- tion comporte de façon connue une vrille de turbulence interne (non représentée) pouvant être soit de type ra- dial, soit de type axial centripète destinée à projeter le carburant issu de l'injecteur en formant un jet tronconique évasé vers l'aval. L'injecteur 8 muni de sa vrille de turbulence interne est entouré par un chapeau 11 formant la paroi amont du bol intermédiaire 10. Le chapeau 11 comporte en aval une partie lla tronconique prolongée vers l'amont par une portée cylindrique llb et enfin par une paroi radiale llc délimitant avec la paroi radiale 12c d'une bague inter- médiaire 12 un canal radial doté d'aubages 13 inclinés formant une vrille de turbulence externe pour le système d'injection. La bague intermédiaire 12 comporte une partie cylindrique 12b et se prolonge en se resserrant vers l'aval par une portée tronconique 12a, le chapeau 11 et la bague 12 formant un canal annulaire axialo-centripète pour l'air provenant de la vrille de turbulence externe 13. De façon connue, la vrille de turbulence externe 13 peut être diaphragmée par une bague cylindrique 22 mobile en rotation et comportant des orifices d'entrée d'air en nombre égal à celui des passages de la vrille 13. La mise en rotation du diaphragme 22 s'effectue par l'intermé- diaire d'un levier de manoeuvre 23 (schématisé à la figure 1) relié à un système de commande externe au carter 2 et non représenté. Par ce moyen, on peut obturer la vrille externe 13 au régime de ralenti et l'ouvrir continuel- lement jusqu'à pleine ouverture au plein gaz afin d'opti- miser les conditions de mélange air-carburant (pourcen- tages air-carburant, répartition volumique, pulvérisation) à tous les régimes de fonctionnement, ce qui est permis parce que la vrille externe possède une composante axiale importante aux conditions pleins gaz et faible au ralenti, ceci étant dû au fait que la vrille est diaphragmée en amont et que, la section au col du bol étant constante, la vitesse débitante, axiale à ce niveau, est directement proportionnelle au débit d'air et est donc croissante du ralenti au plein gaz. La bague 12 est prolongée vers l'aval par un voile aval tronconique 14 évasé vers l'aval et formant le bol propre- ment dit. Celui-ci est relié à la chambre de combustion par une jupe externe 15 cylindrique rapportée à son bord aval et comportant un filetage permettant à un écrou non représenté de venir enserrer de façon connue une coupelle découpée dans le fond 9 de la chambre de combustion. La bague 12, le voile aval 14 et la jupe externe 15 forment une chambre annulaire de refroidissement 16 par impact du voile 14. Pour obtenir ce refroidissement, la jupe 15 comporte des ouvertures radiales 17 régulièrement réparties sur son pourtour, permettant l'alimentation de la chambre 16 en air amont. Selon l'invention, la chambre 16 est divisée en quatre secteurs 16a, 16b égaux, diamétralement opposés, séparés par des cloisons radiales 21. Le voile aval 14 comporte régulièrement répartis sur sa périphérie des trous de bol permettant à l'air amont introduit dans les secteurs 16a, 16b de la chambre 16 de s'échapper de ladite chambre en remplissant une fonction de pulvérisation de la nappe conique 18 de carburant formée entre les jets d'air issus des deux vrilles de turbulence externe et interne. Selon l'invention, les deux premiers secteurs 16a de la chambre 16 comportent sur les parties du voile aval 14 qui leur sont associées des trous de bol de petit diamètre 19 tandis que les seconds secteurs 16b comportent sur les parties correspondantes du voile aval des trous de bol 20 de gros diamètre. Les premiers secteurs 16a et les seconds secteurs 16b sont alimentés séparément en air amont par les ouvertures ra- diales 17, les cloisons 21 les isolant totalement les uns des autres. Selon l'invention, les ouvertures 17, alimen- tant les seconds secteurs à trous de bol de gros diamètre, peuvent être diaphragmées par deux prolongements cylin- driques ajourés 22a de la bague 22 formant le diaphragme de la vrille de turbulence externe 13, afin de moduler le débit de sortie des trous de bol 20. Les diaphragmes 22 et 22a ainsi solidaires sont manoeuvrés simultanément vers l'ouverture ou la fermeture et l'on voit immédiatement que, au ralenti, les trous de bol 20 à gros diamètre des seconds secteurs ne sont pas alimentés et qu'ils peuvent être alimentés jusqu'à plein débit par l'ouverture progressive du diaphragme 22a jusqu'à sa pleine ouverture au plein gaz, alors que les trous de bol 19 des deux premiers secteurs restent alimentés en air amont pendant toute la durée de fonctionnement de la turbomachine. La figure 5 montre la disposition et l'orientation des bols selon l'invention appliqués à une chambre de com- bustion annulaire. Sur cette figure, sans représenter la totalité de chaque bol, on a des bols adjacents 10 vus selon une coupe similaire à celle de la figure 4. La chambre de combustion 1 comporte un certain nombre d'injecteurs reliés au fond de chambre par autant de bols intermédiaires régulièrement répartis en couronne. Selon l'invention, les bols adjacents sont orientés de façon à ce que leurs premiers secteurs alimentés en permanence en air amont soient face à face tandis que les seconds secteurs diaphragmés au ralenti et débitant au plein gaz soient orientés face aux parois interne 3 et externe 2 de la chambre de combustion afin d'en assurer le refroidis- sement maximum au plein gaz. Cette disposition est choisie, outre les besoins de re- froidissement des parois au régime plein gaz, parce que l'on s'est rendu compte par des essais d'analogie hydrau- lique puis par des mesures de vélocimétrie laser à froid qu'il existait une zone de recirculation localisée entre les injecteurs adjacents o se localise la flamme juste avant l'extinction et qu'il importait de garder une ali- mentation constante en air carburé de cette zone au ralen- ti afin d'améliorer la stabilité de flamme dans cette configuration de fonctionnement. La séparation du bol en secteurs alimentés en air indé- pendamment, dont les secteurs 16a en regard sont alimentés constamment en air amont, permet d'obtenir ce résultat, d'autant mieux que le diamètre des trous de bol 19 des secteurs 16a est calculé de telle sorte que le rendement au ralenti du dispositif d'injection soit optimal avec les diaphragmes 22, 22a fermés. Parallèlement, le diamètre des trous de bol 20 des secteurs 16b est calculé afin de rendre optimal, dia- phragmes ouverts, le fonctionnement du dispositif d'injection au régime plein gaz. Ainsi, pour un bol expérimental réalisé, le rendement optimal au ralenti et en plein gaz a été obtenu avec dix trous de deux mil- limètres de diamètre pour chaque premier secteurde cinq trous de quatre millimètres de diamètre pour chaque second secteur. Un autre élément de calcul pris en compte dans la déter- mination du nombre et des dimensions des trous de chaque secteur consiste dans le pourcentage d'air admis dans la chambre de combustion, respectivement par les vrilles de turbulence interne et externe, par le bol et par les autres orifices d'admission d'air de la chambre (orifices primaires 24 et de dilution 25, dispositifs de refroidissement des parois par impact, par convection ou par film pariétal). Ainsi, selon l'invention, les dimensions et le nombre des trous de bol et des vrilles sont tels que le débit d'ad- mission d'air dans la chambre par le système d'injection (vrille interne + vrille externe + trous de bol) varie de % à 22% du débit d'air total admis dans la chambre de combustion et plus particulièrement que les débits res- pectifs par rapport au débit d'air total de la chambre varient depuis le ralenti jusqu'au plein gaz: - de 1% à 13% pour la vrille de turbulence externe, - de 0% a 4% pour les trous de bol 20 des seconds secteurs, tandis que les débits de la vrille interne et des trous de bol 19 des premiers secteurs sont constants pendant tout le fonctionnement de la turbomachine, respectivement de 3% et de 2% du débit total d'air admis dans la chambre de combustion. Cette disposition, combinée avec l'orientation des bols adjacents les uns par rapport aux autres et la variation d'angle de swirl de la vrille externe obtenue par la dis- position amont du diaphragme 22, permet de faire varier entre le ralenti et le plein gaz la répartition volumé- trique du mélange air-carburant dans la zone de réaction et de ce fait d'améliorer la stabilité de flamme au ralenti et le rendement de combustion au plein gaz et réalisant une modulation continue de ces paramètres tout au long de la plage de fonctionnement de la chambre de combustion. il 2588919 Ces avantages rendent l'invention particulièrement adaptée aux turboréacteurs d'aviation à faible niveau de pollution. REVENDICATIONS 2588919 1. Dispositif d'injection d'air et de carburant dans une chambre de combustion notamment de turbomachine, com- prenant au moins un injecteur de carburant, une vrille de turbulence externe pour le passage d'air de pulvéri- sation du carburant, équipée d'un diaphragme de modulation de débit d'entrée d'air, un corps en forme de bol compor- tant un voile aval évasé dans le sens de l'écoulement et pourvu d'une rangée de trous de bol pour l'injection d'air dans le cône de carburant pulvérisé et une chambre de refroidissement par impact (16) formée par le voile aval, une bague intermédiaire et une jupe externe possédant des orifices d'entrée d'air, caractérisé en ce que la chambre est divisée en quatre secteurs égaux (16a, 16b), diamétra- lement opposés deux à deux et séparés par des cloisons radiales (21), deux premiers secteurs (16a) comportant des trous de bol de faible diamètre (19) et deux seconds secteurs (16b) comportant des trous de bol de gros diamètre (20). 2. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des trous (19) des premiers secteurs (16a) est calculé pour un fonctionnement optimisé de la chambre de combustion au ralenti et le diamètre des trous (20) des seconds secteurs (16b) pour un rendement optimisé au régime plein gaz. 3. Dispositif d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un diaphragme (22a) de modulation du débit d'air des trous de bol de gros diamètre (20) de chacun des seconds secteurs (16b). 4. Dispositif d'injection selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diaphragme (22) de la vrille de turbulence externe et celui (22a) des orifices de bol des seconds secteurs (16b) sont solidaires et manoeuvrables simultanément vers l'ouverture au régime plein gaz ou la fermeture au ralenti. 5. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour chambre de combustion annulaire comportant plusieurs injecteurs adjacents les uns aux autres, répartis en couronne sur le fond de la chambre de combustion, caractérisé en ce que les premiers secteurs (16a) des bols adjacents sont disposés face à face, les seconds secteurs (16b) des bols possédant les trous de gros diamètre (20) étant orientés vers les parois (2, 3) de la chambre de combustion pour assurer son refroidis- sement au régime plein gaz. 6. Dispositif d'injection selon la revendication 5, caractérisé en ce que les trous de bol (20) des seconds secteurs (16b) ont un débit global variant entre 0% au ralenti et 4% au plein gaz par rapport au débit total d'entrée d'air dans la chambre de combustion, le débit des trous de bol (19) des premiers secteurs (16a) étant de 2% constant et le débit de la vrille externe (13) variant entre 1% au ralenti et 13% aux pleins gaz.