Brevet FR2602271A1 — publié le 19880205

DESCRIPTION 2602271 L'invention concerne l'alimentation en carburant et en air primaire d'une chambre de combustion, notamment pour turbomachines. Dans les turbomachines actuelles, on recherche un niveau de performances élevé en même temps qu'un faible taux de pollution et pour y parvenir, on doit trouver un compromis difficile entre les contraintes du fonctionnement au plein gaz telles que les émissions de fumées, la tenue thermique 10 des parois, et les performances nécessaires au régime de ralenti, comme la stabilité de flamme et le maintien d'un rendement convenable. On doit tenir compte, en outre, des normes de pollution 15 très sévères, de la diminution de taille des chambres de combustion et de l'obligation de diversification des carburants, ce qui rend plus ardue l'obtention du compromis à trouver entre les régimes de fonctionnement. Après avoir utilisé des chambres de combustion à deux modules, l'un adapté au régime de ralenti et l'autre au régime de pleins gaz, chambres lourdes et encombrantes, on a trouvé une autre solution plus élégante en réalisant des systèmes d'injection à géométrie variable o des volets 25 mobiles permettent de diaphragmer plus ou moins les entrées d'air de la chambre, ce qui amène une réduction substantielle du volume de combustion, donc de l'encombrement de la chambre, par une optimisation continue de son fontionnement. 30 Ce type de chambres utilise généralement des injecteurs aérodynamiques à bols intermédiaires. Dans ce genre de réalisation, les injecteurs sont montés sur le fond de chambre avec interposition d'une pièce intermédiaire appelée bol comportant un voile aval évasé dans le sens de - 2 - 2602271 l'écoulement et pourvu d'une multiplicité de trous de bol de faible diamètre par lesquels de l'air à vitesse élevée pénètre dans le cône de carburant pulvérisé. Ce bol complète le rôle de l'injecteur par les turbulences qu'il engendre Améliorant la pulvérisatiobn du carburant et son mélange avec l'air. Pour améliorer ces injecteurs aérodynamiques à bol intermédiaire, on a doté leur vrille de turbulence externe ainsi que l'admission d'air des trous de bol, de 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. Le brevet FR 2 491 139 montre un exemple de ce genre de 20 vrille dans lequel la vrille externe à entrée d'air radiale comporte un diaphragme constitué d'une enveloppe cylindrique mince entourant une collerette annulaire percée d'orifices d'entrée d'air. Ni le diaphragme, ni la collerette d'entrée d'air ne comporte d'aubage permettant 25 le guidage et la déviation de l'air de pulvérisation, le guidage de l'air n'étant réalisé que de façon très imparfaite au moyen de lèvres courbes s'étendant extérieurement au diaphragme et portées par lui. Le brevet FR 2 491 140 montre, appliquée à une chambre de combustion sans bol intermédiaire, une vrille du type axial dans lequel le diaphragme possède une inclinaison d'aubage différente de celle de la vrille, ce qui permet de modifier l'angle d'entrée d'air dans la chambre selon 35 les régimes de fonctionnement. Toutefois, ce dispositif - 3 - 2602271 a pour inconvénient majeur d'avoir sa vrille de turbulence externe située immédiatement au niveau du fond de la chambre de combustion, ce qui crée dans le cône de carburant ainsi utilisé des sillages importants provoqués par les aubes de la vrille, sillages nuisibles à l'homogénéité du mélange air-carburant devant être réalisé et que rien ne peut atténuer dans ce type de montage. L'invention propose également un dispositif d'injection dans lequel la vrille de turbulence externe possède un calage différent de celui de son diaphragme afin d'obtenir un angle de déviation du jet d'air ou "angle de swirl" différent selon les régimes de fonctionnement mais se 15 propose également de supprimer les inconvénients rencontrés dans les deux types d'injection cités plus haut, en réalisant dans un dispositif d'injection à bol intermédiaire une vrille externe d'entrée radiale à diaphragme permettant un meilleur guidage de l'air et possédant une sortie d'air à direction axialo-centripète, la vrille et le diaphragme étant disposés dans la partie radiale d'entrée du canal afin que l'accélération de l'air en sortie de la vrille avant son introduction dans la chambre au niveau du col du bol, atténue les sillages 25 provoqués par les aubes de la vrille externe. L'invention a donc 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 externe pour le passage d'air de pulvérisation du carburant, équipée d'un diaphragme de modulation de débit d'entrée d'air mobile en rotation, 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 - 42602271 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 vrille de turbulence externe est disposée dans un canal annulaire à entrée radiale et à sortie axialo-centripète, et l'aubage incliné formant ladite vrille est disposé dans l'entrée radiale du canal, le bord aval de l'aubage étant situé dans le prolongement de la bague intermédiaire formant la paroi externe cylindrique de la sortie axialo-centripète du canal. De plus le diaphragme de modulation du débit d'entrée d'air 15 dans la vrille est disposé dans l'entrée radiale ducanal en amont de ladite vrille tandis que en combinaison le diaphragme est constitué d'un second aubage incliné de telle sorte que l'angle de calage de la vrille ait une valeur angulaire comprise entre trois et quatre fois la 20 valeur de l'angle de calage de diaphragme par rapport à un rayon du dispositif d'injection. Selon une caractéristique de l'invention, l'aubage du diaphragme a une hauteur radiale égale sensiblement au 25 triple de la hauteur radiale de l'aubage de la vrille, tandis que selon un autre point de l'invention l'angle de calage de l'aubage du diaphragme est compris entre 20 et e et celui de la vrille est compris entre 80 et 85". D'autres particularités de l'invention seront précisées à la lecture du complément de descriptions qui va suivre accompagné des planches annexées parmi lesquelles; - la figure 1 montre en demi-coupe longitudinale une chambre de combustion équipée d'un dispositif d'injection _ 5 _2602271 selon l'invention; - la figure 2 montre également en demi-coupe longitudinale le bol intermédiaire selon le détail A de la figure 1; - la figure 3 montre en coupe selon II de la figure 2 la vrille et son diaphragme en position ralenti; - la figure 4 montre selon le même plan de coupe, la vrille et son diaphragme en position pleins gaz. Sur la figure 1 est représentée en demi-coupe longitudinale une chambre de combustion annulaire 1 de 15 turbomachine. La chambre 1 est comprise entre un carter externe 2 et une virole interne 3 qui délimitent la veine de gaz comprimés. Une fraction F1 de l'air amont provenant du compresseur (non représenté) est guidée à travers le système d'injection 4 pour la formation du mélange carburé. Celui-ci passe dans la zone primaire 5 o ont lieu les réactions de combustion et 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 entrainent avant d'être 25 éjectés par la tuyère vers l'atmosphère en aval du moteur. L'injecteur dont seul le corps 8 est figuré en pointillé à la figure 1 est relié au fond 9 de la chambre de combustion par un bol intermédiaire 10 dont la vrille de turbulence externe qu'il comporte fait l'objet de l'invention. Le système d'injection comporte de façon connue une vrille de turbulence interne (non représentée) pouvant être soit de type radial, soit de type axial 35 centripète destinée à projeter le carburant issu de - 6 - -6O227 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 10 délimitant avec la paroi radiale 12 c d'une bague intermédiaire 12 un canal à entrée radiale 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 raccordée en arrondi avec la 15 paroi radiale 12c et sur laquelle s'ajuste une partie tronconique 12a se resserrant vers l'aval, le chapeau 11 et la bague intermédiaire formant un canal 14 annulaire a entrée radiale limitée par les parois amont llc et 12c et à sortie axialo-centripète limitée par les parois llb, 20 12b et lla, 12a. La vrille radiale formée des aubages 13, est disposée dans la partie la plus proche de l'axe de l'entrée radiale du canal 14 de telle sorte que le bord aval 13a soit situé 25 sur un cercle de diamètre égal à celui de la partie cylindrique 12b du canal 14. Dans la partie amont de l'entrée radiale dudit canal, est disposé le diaphragme 15 formé d'une couronne circulaire comportant un second aubage de grande hauteur radiale afin d'assurer un bon guidage de l'air à l'entrée dans la vrille. Pour obtenir un guidage correct, le diaphragme 15 a une hauteur radiale égale sensiblement au triple de la hauteur de la vrille 13. Le diaphragme 15 est mobile en rotation en continu par l'intermédiaire d'un levier 16 commandé par un dispositif 35 de manoeuvre non représenté de telle sorte qu'au plein _ 7 _ 26022?71 gaz (par exemple au décollage de l'avion) les aubes 13 de la vrille sont totalement masquées dans le prolongement des aubes 15 du diaphragme, tandis qu'au ralenti les aubes fixes de la vrille 13 sont totalement démasquées et sont situées en travers de l'axe de passage des orifices 17 de passage du flux d'air au travers du diaphragme 15. L'aubage 15 du diaphragme possède un faible calage angulaire N par rapport au rayon de l'injecteur, l'angles étant compris entre 20 et 25 tandis que la vrille 13 possède un calage N sensiblement plus important puisque compris entre 80 et 85 . Ainsi au plein gaz, l'air destiné à la formation d'une nappe conique de carburant est faiblement centrifuge et la nappe de carburant s'étend sur une grande longueur à l'intérieur de la chambre de combustion, ce qui correspond aux meilleures conditions de combustion à plein régime. 20 A l'inverse, au ralenti l'air pénétrant par la vrille externe rencontre l'aubage fortement incliné 13 et subit une forte centrifugation, ce qui permet de modifier la forme du cône de carburant pulvérisé en l'évasant beaucoup 25 plus largement de sorte qu'il soit situé au plus près du fond de la chambre, améliorant ainsi la stabilité de combustion au ralenti. Des essais réalisés sur un tel système d'injection ont montré qu'avec un angle de calage de la vrille 13 compris entre 80 et 85 , les performances optimales de stabilité au ralenti étaient obtenues tandis que l'optimum au plein gaz était obtenu avec un calage du diaphragme 15 compris entre 80 et 85 , par rapport à un rayon du dispositif 35 d'injection. -8 - 2602271 Les bols selon l'invention peuvent comporter également une chambre 16 de refroidissement par impact du voile aval du bol. Cette chambre 16 est formée entre la virole 12 (12a, 12b, 12c) et l'écrou 20 du bol et elle est alimentée en air par des orifices 18, possédant éventuellement un calage angulaire, ces orifices 18 étant diaphragmés par une portée circulaire 15a solidaire du diaphragme 15 de sorte que leur ouverture/fermeture soit simultanée avec 10 celle de la vrille 13. Des orifices 19 de la jupe aval permettent l'évacuation de l'air à partir de la chambre de refroidissement 16 pour contribuer à la pulvérisation du carburant. Les orifices 18 et 19 peuvent être en nombre égal ou en nombre différent si le calcul de leur diamètre 15 permet à pleine ouverture du diaphragme 15a un débit d'entrée égal au débit de sortie autorisé par les orifices 19. L'expérimentation a montré que les bols selon l'invention 20 permettent par rapport aux dispositifs connus précités, de réaliser un meilleur guidage de l'air et donc d'assurer une meilleure composante de rotation de l'air issu de la vrille externe dans les conditions de pleine fermeture. D'autre part l'accélération de l'air en sortie de vrille 25 (permise par la structure propre du canal axialocentripète 14) avant son introduction au niveau du col du bol, atténue les sillages provoqués par les aubes de la vrille externe, ce qui permet d'obtenir un volume de combustion plus homogène dans la chambre et évite les 30 zones de surchauffe, qui existaient dans les chambres antérieures. Une telle disposition permet donc d'améliorer la durée de vie des chambres de combustion et de diminuer la fréquence 35 des démontages d'entretien tout en améliorant grandement les performances au plein gaz et au ralenti. - 9 - 2602271 REVENDICATIONS 1. - 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 externe pour le passage d'air de pulvérisation du carburant, équipée d'un diaphragme de modulation de débit d'entrée d'air mobile en rotation, un corps en forme de bol comportant un voile aval évasé dans 10 le sens de l'écoulement et pourvu d'une rangée de trous de bol (19) 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 vrille de turbulence externe (13) est disposée dans un canal annulaire (14) à entrée radiale et A sortie axialo-centripète, en ce que l'aubage incliné (13a) formant ladite vrille est disposé dans l'entrée radiale du canal (14), le bord aval de l'aubage étant situé dans le prolongement de la bague intermédiaire (12b) formant la paroi externe cylindrique de la sortie axialo-centripète du canal (14), en ce que le diaphragme (15) de modulation du débit d'entrée d'air dans la vrille est disposé dans l'entrée radiale du canal en amont de 25 ladite vrille et en ce que en combinaison le diaphragme (15) est constitué d'un second aubage incliné de telle sorte que l'angle de calage de la vrille (13) ait une valeur angulaire comprise entre trois et quatre fois la valeur de l'angle de calage du diaphragme (15) par rapport 30 à un rayon du dispositif d'injection. 2. - Dispositif d'injection selon la revendication 1 caractérisé en ce que le diaphragme (15) est mobile en rotation en continu d'une première position correspondant 35 à un régime de pleins gaz, o l'aubage du diaphragme (15) - 10 -2602271 masque complètement l'aubage de la vrille (13) jusqu'à une seconde position correspondant au régime de ralenti o l'aubage du diaphragme (15) démasque complètement l'aubage de la vrille externe (13). 3. - Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'aubage du diaphragme (15) a une hauteur radiale égale sensiblement 10 au triple de la hauteur radiale de l'aubage de la vrille (13). 4. - Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle de calage de l'aubage du diaphragme (15) par rapport au rayon du dispositif d'injection est compris entre 20 et 25 et en ce que l'angle de calage de la vrille (13) est compris entre 80 et 85 . 5. - Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le diaphragme (15) comporte une portée circulaire (15a) entourant la jupe externe et percée d'orifices en nombre égal à celui des orifices d'entrée d'air (18) de la jupe externe pour 25 permettre la modulation continue du débit d'air de refroidissement par impact de la chambre.