Brevet FR2621650A1 — publié le 19890414

Assemblage d'injecteur de carburant pour moteur à turbine à gaz. La présente invention concerne un assemblage d'injecteur de carburant pour un moteur à turbine à gaz, et plus spécifiquement, un tel assemblage d'injecteur de carburant pour un moteur à turbine à gaz ayant un tube de carburant et un tube d'air entourant le tube de carburant pour définir un passage d'air annulaire entre eux, le tube d'air et le tube de carburant étant en contact de façon coulissante pour empêcher l'encrassement du passage d'air. L'assemblage d'injecteur de carburant est construit de sorte que le passage d'air est facilement accessible pour être nettoyé. Un assemblage d'injecteur de carburant typique capable d'alimenter de façon séparée à la fois en air et en carburant une chambre de combustion comprend généralement un tube d'alimentation en carburant supporté par une première extrémité et ayant une tête d'injecteur de carburant avec une surface conique fixée à l'autre extrémité, et un tube d'alimentation en air, également supporté par la même première extrémité, ledit tube d'alimentation en air entourant le tube d'alimentation en carburant avec un espace entre eux pour définir entre eux un canal d'arrivée d'air annulaire. Un E couvercle à tourbillonnement est vissé sur l'extrémité libre du tube d'alimentation en air et serré de sorte qu'une ouverture conique dans le couvercle à tourbillonnement vient en contact de façon étanche avec la surface conique de la tête d'injecteur. Le couvercle à tourbillonnement comprend en outre un ensemble de fSe petites ouvertures espacées de façon équiangulaire autour du centre du couvercle à tourbillonnement pour diriger l'air de pulvérisation depuis le canal d'arrivée d'air dans un sens convergent vers le carburant qui sort de la tête d'injecteur de carburant dans une forme conique divergeant vers l'extérieur. Comme l'air délivré à travers l'assemblage n'est principalement utilisé qu'à l'allumage du moteur à turbine à gaz pour pulvériser le carburant, il est important de prévoir une forme de répartition o d'air de pulvérisation qui puisse être prédite et délivre un mélange air-carburant pulvérisé généralement adjacent soit à un tube de traversée de flammes, soit à un allumeur par étincelle, soit aux deux. La tête d'injecteur de carburant injecte le carburant dans une forme de répartition divergeant vers l'extérieur, généralement conique. Cependant, pendant une faible arrivée de carburant, la pulvérisation à pression de carburant est pauvre et l'air est introduit par le couvercle à tourbillonnement pour pulvériser to davantage le carburant injecté par l'injecteur. De cette manière, la forme conique est modifiée pour aboutir à une forme de Jet nodulaire ou à quatre rais. Cet air de pulvérisation supplémentaire est nécessaire pendant l'allumage de la décharge pour fournir une plus grande pulvérisation du carburant alors qu'il est introduit par l'injecteur pour réduire des émissions de carburant non brûlé et obtenir une meilleure distribution du mélange air-carburant afin de s'assurer qu'il alimente correctement la turbine pour propager le processus de combustion dans la turbine. Une fois l'allumage avec décollement de flamme (appelé "light-off' dans la technique anglo-saxonne) terminé, l'air de pulvérisation est coupé et seul le carburant est délivré par l'injecteur pour poursuivre le processus de combustion. Pour s'assurer que l'arrivée d'air pulvérise le Jet de carburant 3S selon la forme de Jet nodulaire souhaitée pendant la pulvérisation, l'arrivée d'air est canalisée à travers des ouvertures ayant la 262 1 6 5 0 même orientation géométrique que l'ouverture dans la tête d'injecteur de carburant à travers laquelle est dirigé le carburant. Cependant, le fait de doter le Jet d'air et le jet de carburant de caractéristiques d'arrivée similaires s'est avéré inutile pour réaliser la forme de Jet nodulaire souhaitée du jet de carburant pulvérisé. Les surfaces coniques étaient utilisées dans ces dispositifs de l'art antérieur car on supposait que le Joint conique, une fois établi, constituait le meilleur Joint étanche à l'air utilisable. Pour faire du joint conique un joint étanche à l'air, de haute qualité, il était nécessaire d'appliquer une pate de rodage fine sur la tête d'injecteur conique avant de mettre la tête d'injecteur en contact avec le couvercle à tourbillonnement. En outre, et de AS manière plus grave, la tête d'injecteur conique et le couvercle à tourbillonnement utilisés pour réaliser une telle Jonction d'étanchéité entraînent la formation de vides à la jonction injecteur de carburant/couvercle à tourbillonnement pendant l'expansion axiale du tube d'alimentation en air. Cela détériore de 2 façon importante la capacité de l'assemblage d'injecteur de carburant à donner les caractéristiques de Jet de carburant pulvérisé souhaitées. De plus, de tels vides favorisent la formation de substances d'encrassement qui détériorent ensuite le bon fonctionnement de l'assemblage d'injecteur de carburant. Les dispositifs de l'art antérieur ont également tendance à provoquer l'accumulation de dépots dans le canal d'arrivée d'air, ce qui tend à l'obstruer, et ne permettent pas l'accès au canal d'arrivée d'air pour enlever ces dépôts. Un tel injecteur de carburant de l'art antérieur ayant un contact conique entre le couvercle à 3 tourbillonnement et le tube d'alimentation en carburant est décrit dans le brevet US 4 154 056 intitulé "Fuel Nozzle Assembly for a Gas Turbine Engine" (Assemblage d'injecteur de carburant pour un moteur à turbine à gaz), publié le 15 mai 1979. Les problèmes identifiés dans les dispositifs de l'art antérieur peuvent être attribués au fait que la température du carburant 262 1 650 arrivant par le tube d'alimentation en carburant est généralement de l'ordre de 40'C. La température de l'air dans l'espace entre les tubes peut cependant atteindre 300'C. Une telle différence de température entre le tube de carburant et le tube d'air provoque $ souvent une expansion axiale variée du tube de carburant et du tube d'air, ce qui aboutit à la création d'un Jeu du Joint conique entre la tête d'injecteur de carburant et le tube d'alimentation en air, créant ainsi le vide mentionné cidessus à la Jonction d'étanchéité entre les deux. Ce vide fournit une zone o les substances d'encrassement de l'air passant au travers ou dépôts charbonneux dus au cours inversé occasionnel en provenance de la chambre de combustion, peuvent s'accumuler et empêcher ce vide d'être à nouveau rendu étanche. Le tube d'air lui-même peut également être obstrué par les substances d'encrassement. Pendant les arrêts, la Jonction de Joint conique peut être encrassée par le carburant de la tête d'injecteur. Ainsi, tout vide entre le tube d'air et la tête d'injecteur de carburant crée un circuit de fuite d'air qui influe de façon nuisible sur la diffusion d'air de pulvérisation de sorte qu'une forme imprévisible de répartition carburant-air peut exister, laquelle produira des caractéristiques de décollement de flamme irrégulières et imprévisibles. Si l'encrassement du passage d'air est suffisamment important, l'arrivée d'air de pulvérisation peut ê tre complètement coupée, empêchant les décollements de flamme. En outre, une fois que l'assemblage d'injecteur de carburant de l'art antérieur connu est assemblé et monté dans une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, il devient extrêmement difficile de nettoyer mécaniquement le canal d'arrivée d'air et d'enlever les substances d'encrassement qui peuvent causer soit une fuite à la Jonction d'étanchéité, soit un bouchage du tube d'alimentation en air. Le principal objet de la présente invention est de créer un assemblage d'injecteur de carburant pour un moteur à turbine à gaz qui maintient une Jonction d'étanchéité constante entre la tête d'injecteur de carburant et le couvercle à tourbillonnement pendant la dilatation axiale du tube d'alimentation en air de façon à empêcher l'accumulation de dépôts charbonneux à la Jonction tête S d'injecteur de carburant/couvercle à tourbillonnement pendant la dilatation axiale du tube d'alimentation en air. Avec cet objet en vue, la présente invention réside en un assemblage d'inJecteur de carburant pour une turbine à gaz ayant un tube d'alimentation en carburant pour délivrer le carburant depuis une extrémité d'alimentation, un tube d'alimentation en air entourant une partie dudit tube d'alimentation en carburant avec un espace entre eux de manière à définir un passage annulaire entre lesdits tubes pour amener l'air, des moyens de contact pour venir au contact dudit tube d'alimentation en carburant au niveau de ladite extrémité d'alimentation, ledit tube d'alimentation ayant à son extrémité des passages communiquant avec ledit passage annulaire pour que l'air passant se mélange au carburant délivré, ledit tube d'alimentation en carburant ayant une tête d'injecteur de carburant avec une surface extérieure prédéterminée au niveau de ladite extrémité d'alimentation, et lesdits moyens de contact comprenant une ouverture avec une surface intérieure recevant ladite surface extérieure, caractérisé en ce que ladite surface de tête et ladite surface intérieure ont une géométrie cylindrique E complémentaire par rapport à l'axe commun dudit tube d'alimentation en carburant et dudit tube d'alimentation en air, de manière à supporter de façon coulissante ledit tube d'alimentation en carburant en relation radiale constante par rapport audit tube d'alimentation en air lorsqu'ils subissent un mouvement axial 0 relatif. L'invention deviendra plus facilement évidente à partir de la description qui suit de ses modes de réalisation préférés représentés, à titre d'exemple uniquement, sur les dessins Joints sur lesquels: 262 1 650 la figure la est une vue en coupe transversale axiale de l'extrémité d'alimentation d'un assemblage caractéristique d'injecteur de carburant de l'art antérieur dans des conditions normales de fonctionnement; s la figure lb est une vue en coupe transversale axiale similaire à la figure la de l'extrémité d'alimentation de l'assemblage d'injecteur de carburant de l'art antérieur qui a subi une dilatation axiale causée par des conditions de fonctionnement c intense à température élevée; la figure 2 est une vue en coupe transversale axiale de l'assemblage d'injecteur de carburant de la présente invention; a15 la figure 3a est une vue en coupe transversale axiale de l'extrémité d'alimentation de l'assemblage d'injecteur de carburant de la figure 2 dans des conditions normales de fonctionnement; et la figure 3b est une vue en coupe transversale axiale de l'extrémité d'alimentation de l'assemblage d'injecteur de carburant de la figure 2 qui a subi une dilatation axiale causée par des conditions de fonctionnement intense à température élevée. En se référant tout d'abord aux figs. la et lb, l'extrémité de l'assemblage d'injecteur 10 d'un assemblage d'injecteur de carburant caractéristique de l'art antérieur est représentée. L'assemblage d'injecteur 10 comprend un tube d'alimentation en carburant intérieur 12 et un tube d'alimentation en air extérieur 14 l'entourant. Le tube d'alimentation en air 14 est concentrique et a sensiblement la même étendue que le tube d'alimentation en carburant 12. Le tube d'alimentation en carburant 12 a une extrémité d'alimentation 13 qui comprend une ouverture axiale dans laquelle une tête d'injecteur de carburant 15 est vissée sur le tube d'alimentation en carburant 12. La tête d'injecteur de carburant 15 comprend une face conique 16 pour venir au contact du tube d'alimentation en air 14. Le tube d'alimentation en air 14 262 16 5 0 s'étend de façon axiale et concentrique au tube d'alimentation en carburant 12 pour définir un passage d'air annulaire 18 entre la paroi extérieure du tube d'alimentation en carburant 12 et la paroi intérieure du tube d'alimentation en air 14 à travers leur étendue axiale commune. L'extrémité 20 du tube d'alimentation en air 14 a un diamètre extérieur réduit fileté pour recevoir un couvercle à tourbillonnement 22. Le couvercle à tourbillonnement 22 comprend une ouverture située centralement 24. L'ouverture centrale 24 est formée pour définir une surface conique effilée 26. Le couvercle à tourbillonnement comprend en outre de petites ouvertures 28 espacées de façon équiangulaire autour du couvercle à tourbillonnement 22 pour diriger l'air de pulvérisation dans une direction convergente prédéterminée afin d'intercepter et pulvériser le carburant sortant de la tête d'injecteur de carburant 15. La surface conique effilée est dimensionnée pour s'adapter au cône de la face conique 16 de la tête d'injecteur de carburant 15 de sorte que le couvercle à tourbillonnement 22 est serré sur le tube d'alimentation en air 14, la tête d'injecteur 15 s'avance dans l'ouverture 24 et, une fois correctement serrée, fournit un contact étanche entre la face conique 16 et la surface conique 26. La figure la représente l'assemblage d'injecteur 10 de l'art antérieur lorsqu'il est soumis à des conditions normales de température, c'est-àdire, lorsqu'il n'y a pas de différence de température extrême entre le carburant arrivant dans le tube d'alimentation en carburant 12 et l'air arrivant dans le tube d'alimentation en air 14. Comme représenté clairement sur la figure la, lorsqu'il n'y a pas de différence de température entre les tubes, les tubes d'alimentation en carburant et en air sont hermétiques au niveau de la Jonction tête d'injecteur 15/surface conique 26. Il n'y a pas de vide à la Jonction, et l'encrassement du passage d'air 18 est peu probable. La pulvérisation d'air du Jet de carburant aboutit généralement à la forme de Jet nodulaire pulvérisé souhaitée. 262165 0 En se tournant vers la figure lb, l'assemblage d'injecteur de carburant 10 est représenté lorsqu'il est soumis à une dilatation axiale du tube d'alimentation en air causée par les conditions thermiques extrêmes pendant le fonctionnement. Pendant le fonctionnement normal du moteur, l'air de combustion du compresseur entoure le tube d'alimentation en air 14 et a une température d'approximativement 300' à 370'C. Le carburant, cependant, a généralement une température de l'ordre de 40'C, ce qui place le tube d'alimentation en carburant 12 à une température bien inférieure à celle du tube d'alimentation en air 14. Cela provoque une expansion axiale du tube d'alimentation en air dans une mesure supérieure à l'expansion axiale du tube de carburant, et aboutit à un vide 29 entre la tête conique 16 et la surface intérieure 26. De façon caractéristique, le vide 29 entre l'extrémité conique 16 et la surface intérieure 26 peut s'étendre Jusqu'à 0,7?6 mm. En raison des substances d'encrassement dans l'arrivée d'air ou du cours inversé occasionnel des produits de combustion dans ce vide, les particules s'accumulent ou se fixent dans le vide 29, cette accumulation empêchant le vide de se fermer lorsque que la différence de température extrême des tubes est éliminée une fois l'allumage de la turbine terminé. Ainsi, avant un allumage subséquent de la turbine, le vide sera déjà présent même sans une différence de température entre les tubes. La fuite d'air à travers ce vide modifie de façon nuisible la décharge de l'arrivée d'air de pulvérisation, ce qui change la forme du Jet de pulvérisation de l'assemblage d'injecteur de carburant et modifie ainsi la réaction de décollement de flamme de la chambre de combustion. En se tournant ensuite vers la fig. 2, on peut voir l'assemblage d'injecteur de carburant 30 de la présente invention. L'assemblage d'injecteur de carburant 30 comprend un tube d'alimentation en carburant intérieur 32 et un tube d'alimentation en air extérieur 34 s'étendant radialement à partir d'un rebord de support 36 au niveau d'une extrémité. Le tube d'alimentation en air 34 est concentrique au tube d'alimentation en carburant 32 et a sensiblement la même longueur. Le rebord de support 36, qui supporte le tube d'alimentation en carburant sur le moteur à turbine à gaz, s'étend radialement vers l'extérieur du tube d'alimentation en carburant 32. Le rebord de support 36 a des extensions axiales maximales supérieure et inférieure 37 adjacentes au tube d'alimentation en air 34 et des extensions axiales réduites supérieure et inférieure 38 contiguës aux extensions axiales maximales 37. L'extension axiale réduite inférieure 38 du rebord de support 36 est équipée d'une ouverture de réception de vis 40. Le rebord de support 36 comprend également une prise d'air de pulvérisation filetée, s'étendant radialement, 39, pour recevoir une conduite d'air. Le tube d'alimentation en air 34 s'étend également radialement vers l'extérieur le long de l'extension radiale extérieure du rebord de support 36. L'extension radiale du tube d'alimentation en air 34 comprend des extensions axiales maximales supérieure et inférieure 42 contiguës au tube d'alimentation en carburant 32 et des extensions axiales réduites supérieure et inférieure 43 contiguës aux extensions axiales maximales supérieure et inférieure 42. 2c L'extension axiale réduite inférieure 43 est équipée d'une ouverture de réception de vis 44. Le tube d'alimentation en air 34 s'étend de façon axiale et concentrique au tube d'alimentation en carburant 32 pour définir le passage d'air annulaire 58 entre la paroi extérieure du tube d'alimentation en carburant 32 et la paroi intérieure du tube d'alimentation en air 34 à travers leur étendue axiale commune. L'extrémité 49 du tube d'alimentation en air 34 a un diamètre extérieur réduit fileté pour recevoir un couvercle à 3Z tourbillonnement fileté intérieurement 62. Lorsque l'on souhaite fixer le tube d'alimentation en air 34 au rebord de support 36, les extensions axiales réduites inférieures 38, 43 du rebord de support 36 et du tube d'alimentation en air 34 respectivement, sont alignées. L'alignement des extensions axiales réduites inférieures 38, 43 a l'avantage supplémentaire d'aligner no correctement le tube d'alimentation en carburant 32 et le tube d'alimentation en air 34. Une vis 46 est ensuite insérée par les ouvertures 40 et 44 et fixé au rebord de support 36 pour fixer le tube d'alimentation en air 34 au rebord de support 36. Lorsque l'on souhaite avoir accès au passage d'air annulaire 58 pour le nettoyer, on enlève le boulon 46 et on démonte le tube d'alimentation en air 34 du rebord de support 36 pour exposer les parois des tubes d'alimentation en air et en carburant qui définissent le passage d'air 58. no Le tube d'alimentation en carburant 32 a une ouverture axiale qui est filetée intérieurement à chacune de ses extrémités. Une conduite de carburant (non représentée) est reçue normalement dans l'extrémité d'entrée de carburant 60. L'extrémité d'alimentation 48 du tube d'alimentation en carburant 32 se termine en une tête d'injecteur de carburant 50 vissée sur le tube d'alimentation en carburant 32. La tête d'injecteur de carburant 50 comprend une partie de Jupe filetée 52 pour fixer la tète d'injecteur de carburant 50 à l'extrémité d'alimentation 48, une collerette hexagonale 54 et une face cylindrique 56 qui vient au contact du couvercle à tourbillonnement 62. Une rondelle d'étanchéité 53 est placée entre la collerette hexagonale 54 et la partie de Jupe filetée 52 pour empêcher une fuite de carburant du tube d'alimentation en carburant 32 et l'encrassement du passage d'air annulaire 58. Le couvercle à tourbillonnement 62 comprend une partie de Jupe filetée intérieurement 64 et une ouverture située centralement 66 ayant une surface cylindrique 68. Le couvercle à tourbillonnement 3o 62 comprend en outre de petites ouvertures 69 espacées de façon équiangulaire autour du centre du couvercle à tourbillonnement 62 pour diriger l'air de pulvérisation dans une direction convergente prédéterminée afin d'intercepter et pulvériser le carburant sortant de la tête d'injecteur de carburant 50. La surface cylindrique 68 est dimensionnée pour recevoir la face cylindrique 56 de la tête d'injecteur 50 de sorte que, alors que le couvercle à A- tourbillonnement 62 est serré sur le tube d'alimentation en air 34, la tête d'injecteur 50 s'avance dans l'ouverture 66 pour permettre ainsi à la face cylindrique 56 de venir au contact de la surface cylindrique 68. Le couvercle à tourbillonnement 62 est maintenu dans cette position par un anneau de blocage 63 placé entre la lisière 52 et la partie contiguë du tube d'alimentation en air 34. Pendant le serrage du couvercle à tourbillonnement 62, l'anneau de blocage 63 est déformé de sorte qu'il vient au contact de parties du tube d'alimentation en air faisant face 37? et de la Jupe 52 de manière à empêcher une rotation relative entre eux. La figure 3a représente l'assemblage d'injecteur de carburant 30 de la présente invention lorsqu'il est soumis à des conditions normales de température, c'est-à-dire, lorsqu'il n'y a pas de As différence de température extrême entre le carburant circulant dans le tube d'alimentation en carburant 32 et le tube d'alimentation en air 34. Comme il est clairement représenté sur la figure 3a, lorsqu'il n'y a pas de différence de température entre les tubes, les tubes d'alimentation en carburant et en air'sont hermétiques à la'Jonction tête d'injecteur cylindrique 56/surface cylindrique 68. Il n'y a pas de vide à la jonction, et l'encrassement du passage d'air 58 est peu probable. La pulvérisation d'air du jet de carburant aboutit généralement à la forme de jet nodulaire pulvérisé souhaitée. En se tournant ensuite vers la figure 3b, l'assemblage d'injecteur de carburant de la présente invention est représenté lorsqu'il est soumis à une expansion axiale du tube d'alimentation en air provoquée par les conditions thermiques extrêmes pendant le fonctionnement. Le tube d'alimentation en air 34 se dilate radialement dans une mesure supérieure au tube d'alimentation en carburant 32. Alors que le tube d'alimentation en air 34 se dilate, la surface cylindrique 68 du couvercle à tourbillonnement 62 glisse le long de la face ou surface cylindrique 56 de la tête d'injecteur de carburant 50. La face cylindrique 56 a une dimension telle que lorsque le tube d'alimentation en air 34 subit une expansion axiale maximale pendant les conditions de fonctionnement extrêmes de l'assemblage d'injecteur de carburant, la surface cylindrique 68 reste au contact de la face cylindrique 56. Alors que le contact de la surface cylindrique 68 et de la face cylindrique 56 est maintenu, la séparation radiale de la surface cylindrique 68 et de la face cylindrique 56 reste constante et il ne se produira pas de vide. La géométrie complémentaire de la surface 68 et de la face 56 fournit une Jonction radiale constante par rapport à l'axe commun du tube d'alimentation en carburant et du tube d'alimentation en air, ce qui empêche ainsi une séparation radiale entre les deux lorsqu'ils subissent un mouvement axial relatif. Les longueurs axiales de la surface 68 et de la face 56 sont suffisamment grandes pour empêcher tout vide dû au mouvement axial relatif. A3 REVENDICATIONS 1. Assemblage d'injecteur de carburant pour une turbine à gaz (30) ayant un tube d'alimentation en carburant (32) pour délivrer le carburant depuis une extrémité d'alimentation (48), un tube d'alimentation en air (34) entourant une partie dudit tube d'alimentation en carburant (32) avec un espace entre eux de manière à définir un passage annulaire (58) entre lesdits tubes (32, 34) pour amener l'air, des moyens de contact (56, 68) pour venir au contact dudit tube d'alimentation en carburant (32) au niveau de ladite extrémité d'alimentation (48), ledit tube d'alimentation ayant à son extrémité des passages (69) communiquant avec ledit passage annulaire (58) pour que l'air passant se mélange au carburant délivré, ledit tube d'alimentation -AS en carburant (32) ayant une tête d'injecteur de carburant (50) avec une surface extérieure prédéterminée (56) au niveau de ladite extrémité d'alimentation (48), et lesdits moyens de contact (56, 68) comprenant une ouverture (66) avec une surface intérieure (68) recevant ladite surface extérieure (56), caractérisé en ce que ladite surface de tête (56) et ladite surface intérieure (68) ont une géométrie cylindrique complémentaire par rapport à l'axe commun dudit tube d'alimentation en carburant (32) et dudit tube d'alimentation en air (34), de manière à supporter de façon coulissante ledit tube d'alimentation en carburant (32) en relation 2s radiale constante par rapport audit tube d'alimentation en air (34) lorsqu'ils subissent un mouvement axial relatif, 2. Assemblage d'injecteur de carburant selon la revendication 1, dans lequel un couvercle à tourbillonnement (62) est fixé audit 3 tube d'alimentation en air (34), caractérisé en ce que ledit couvercle à tourbillonnement (62) a à son extrémité une ouverture définissant ladite surface intérieure cylindrique pour venir en contact avec ladite tête d'injecteur de carburant (50) et en ce que ledit couvercle à tourbillonnement (62) comprend en outre un $$ A4 ensemble de passages d'air de pulvérisation (69) communiquant avec ledit passage annulaire (58). 3. Assemblage d'injecteur de carburant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit tube d'alimentation en air (34) est fixé de façon détachable à un rebord de support (36) qui comprend une prise d'air (39) communiquant avec ledit passage annulaire (58),