Brevet FR2622252A1 — publié le 19890428

Agencement d'injecteur de carburant pour moteur à turbine à gaz La présente invention est relative à un agencement d'injecteur de carburant pour moteur à turbine à gaz, et plus spécifiquement à un tel agence:nent d'injecteur de carburant pour moteur à turbine à gaz a-ant un tube pour carburant et un tube pour air renfermant le tube pour carburant pour définir entre eux un passage annulaire pour air. Un agencement typiaue d'injecteur de carburant capable de refouler séparément et de l'air et du carburant jusqu'à une chambre de cor:bustion comDorte cénéraleiaent un tube d'alimentation en carburant supporté depuis une extrémité et ayant une tête d'injecteur de carburant à surface co- nique fixée à l'autre extrémité, et un tube d'alimentation en air entourant le tube d'alimLentation en carburant de xma- nière espacée par rapport à celui-ci pour définir entre eux un conduit annulaire de circulation d'air. Un bouchon & tourbillonnement est vissé sur l'extrémité libre du tube d'alimentation en air et est serré de façon qu'une ouverture conique située dans le bouchon à tourbillonnement porte de manière étanche contre la surface conique de la tête d'injec- teur. Le bouchon à tourbillonnement possède en outre une plu- ralité de petits orifices espacés équiangulairement autour du centre du bouchon à tourbillonnement pour diriger de l'air de pulvérisation issu du conduit de circulation d'air dans une direction convergeant vers le carburant quittant la tête d'in- jecteur de carburant en un motif conique divergeant vers l'extérieur. Comme l'air refoulé a travers l'agencement sert prin- cipalement juste à l'allumage du moteur de turbine à gaz pour pulvériser le carburant, il importe de réaliser une configuration d'air de pulvérisation qui soit prévisible et qui achemine un mélange pulvérisé de carburant et d'air jus- qu'à un point globalement contigu à un tube de croisement de flammes ou à une bougie d'allumage, ou encore aux deux. La tête d'injection de carburant injecte du carburant selon une configuration divergeant vers l'extérieur, globale- ment conique. Cependant, quand le débit de carburant est faible, la pulvérisation sous pression du carburant est faible et de l'air est introduit via le bouchon à tourbillonnement pour pulvériser davantage le carburant injecté par l'injecteur. De cette manière, la configuration conique est modifiée pour se transformer en configuration de pulvérisation nodulaire ou à quatre rayons. Ce surplus d'air de pulvérisation est néces- saire pendant l'allumage avec décollement de flamme pour réa- liser une plus grande pulvérisation du carburant à mesure qu'il est introduit via l'injecteur pour réduire les émis- sions de carburant non brûlé et obtenir une meilleure répar- tition du mélange d'air et de carburant afin d'assurer son bon acheminement jusqu'à la turbine pour propager le processus de combustion dans la turbine. Au terme de l'allumage avec décollement de flamme, l'alimentation en air de pulvérisa- tion est arrêtée et le carburant seul est refoulé à travers l'injecteur pour poursuivre le processus de combustion. Afin d'assurer que le flux d'air pulvérise le courant de carburant et lui donne la configuration nodulaire de pulvérisation requise pendant la pulvérisation, le flux d'air est canalisé à travers des orifices ayant la même orientation géométrique que l'ouverture de la tête d'in- jection de carburant à travers laquelle est dirigé le car- burant. Les surfaces coniques utilisées dans des dispositifs de la technique antérieure tels que le joint conique d'é- tanchéité, une fois établies, étaient sensées constituer le meilleur joint d'étanchéité à l'air possible. Cependant, pour faire en sorte que le joint conique d'étanchéité fût un joint étanche à l'air de grande qualité, il fallait appliquer sur la tête d'injection conique une pâte de rodage fin avant d'assembler la tête d'injection avec le bouchon à tourbillonnement. En outre, ce qui est plus important, la tête d'injection conique et le bouchon atomiseur utilisés pour réaliser une telle interface d'étanchéité contribue à la formation de vides au niveau de l'interface injecteur de carburant/bouchon à tourbillonnement pendant la dialatation axiale du tube d'alimentation en air. Cela amoindrit gravement l'aptitude de l'agencement d'injecteur de carburant à at- teindre les caractéristiques voulues de pulvérisation du carburant. En outre, ces vides- favorisent la formation d'impuretés qui nuisent elles aussi à l'efficacité de l'agencement d'injecteur de carburant. Les dispositifs de la technique antérieure sont également sujets à l'ac- cumulation de dépôts dans le conduit d'alimentation en air, ce qui tend à le boucher, et ils ne permettent pas d'ac- céder au conduit d'alimentation en air pour éliminer ces dépôts. Un tel injecteur de carburant de la technique an- térieure ayant une surface de contact conique entre le bouchon à tourbillonnement et le tube d'alimentation en carburant est présenté dans le brevet des E.U.A. n 4 154 056. Les problèmes connus dans les dispositifs de la tech- nique antérieure peuvent être imputés au fait que la tem- pérature du carburant circulant dans le tube d'alimentation en carburant est en général voisine de 38 C. Cependant, la température de l'air dans l'espace entre les tubes peut atteindre 315 C. Une telle différence de température entre le tube pour carburant et le tube pour air provoque souvent une dilatation axiale variable du tube pour carburant et du tube pour air, ce qui entraîne un dégagement du joint d'étanchéité conique entre la tête d'injection de carbu- rant et le tube d'alimentation en air, en créant ainsi le vide précité à l'interface d'étanchéité entre les deux. Ce vide crée une zone o des impuretés ou des dépôts de car- bone dus à des retours occasionnels depuis la chambre de combustion, risquent de s'accumuler jusqu'à empêcher le vide de se refermer. Le tube pour air lui-même peut aussi se trouver bouché par des impuretés. Pendant les arrêts, l'interface conique d'étanchéité peut être encrassée par du carburant venant de la tête d'injectionr. Comme tel, tout vide entre le tube pour air et la tête d'injection de carburant crée un passage de fuites d'air qui nuit à la répartition de l'air de pulvérisation, si bien qu'il peut exister une combinaison imprévisible de carburant et d'air qui produise des caractéristiques irré- gulières et imprévisibles de décollement de flaame. Si l'encrassement du passage d'air est suffisamment grave, la circulation de l'air de pulvérisation peut être complè- tement coupée en empêchant les décollements de flammes. En outre, une fois que l'agencement d'injecteur de car burant de la technique antérieure connue est assemblé et monté dans une chambre de combustion de moteur de turbine à gaz, il devient extrêmement difficile de nettoyer néca- niquement le conduit d'alimentation en air et d'éliminer les impuretés qui risquent de provoquer soit des fuites à l'interface d'étanchéité, soit une obturation du tube d'ali- mentation en air. La présente invention vise principalement à réaliser un agencement d'injecteur de carburant pour moteur de tur- bine à gaz qui maintienne une interface d'étanchéité cons- tante sans créer de vides entre le tube d'alimentation en carburant et le tube d'alimentation en air pendant la dila- tation axiale du tube d'alimentation en air. En vue de cet objectif, la présente invention réside dans un agencement d'injecteur de carburant pour turbine à gaz, comprenant un tube d'alimentation en carburant faisant saillie depuis une embase de support et ayant une extrémité pour alimentation à l'opposé de ladite embase de support et un tube d'alimentation en air entourant concen- triquement ledit tube d'alimentation en carburant de manière espacée par rapport à ce dernier de façon à définir entre eux un passage annulaire pour conduire de l'air depuis la- dite embase de support jusqu'à ladite extrémité pour alimen- tation, caractérisé en ce qu'une structure d'injecteur de carburant et d'air d'une seule pièce est montée sur l'ex- trémité pour alimentation dudit tube d'alimentation en car- burant, ladite structure d'injecteur ayant une ouverture centrale d'injecteur de carburant de façon à recevoir du carburant depuis ledit tube d'alimentation en carburant et des passages d'air aménagés autour de ladite ouverture cen- trale d'injecteur de carburant et communiquant avec ledit passage annulaire pour recevoir depuis celui-ci de l'air de pulvérisation sous pression, ledit tuyau d'alimentation en air ayant une extrémité d'alimentation reposant sur ladite structure d'injecteur, et en ce que des moyens sont présents sur ladite embase de support pour supporter de manière mobile ledit tube d'alimentation en air et pour pousser de manière élastique ladite extrémité d'alimentation au contact de ladite structure d'injecteur. Dans l'agencement donné, le passage pour air de pulvé- risation est facilement accessible pour être nettoyé et le tube d'alimentation en air est poussé par la force d'un ressort jusqu'à s'juster fermement en alignement avec l'en- semble d'une seule pièce injecteur de carburant/bouchon d'extrémité du tube d'alimentation en air. L'ensemble d'une seule pièce injecteur de carburant/bouchon d'extrémité, qui est vissé sur le tube d'alimentation en carburant, est faci- lement détachable du tube d'alimentation en carburant pour libérer le tube d'alimentation en air et permettre un accès aisé au passage annulaire pour air à des fins de nettoyage. L'invention sera décrite plus en détail ci-après en référence à une forme préférée de réalisation de celle-ci, représentée à titre d'exemple nullement limitatif sur le dessin annexé, sur lequel: la Figure est une vue en coupe axiale de l'agencement d'injecteur de carburant de la présente invention. Comme représenté sur la Figure, l'agencement 30 d'in- jecteur de carburant comprend un tube intérieur 32 d'ali- mentation en carburant et un tube extérieur 34 d'alimenta- tion en air s'étendant axialement depuis une embase de support 36 à une première extrémité. Le tube 34 d'alimen- tation en air est concentrique au tube 32 d'alimentation en carburant et a sensiblement la même étendue que celui- ci. Le tube 32 d'alimentation en carburant a une ouverture axiale filetée intérieurement à chaque extrémité de celle- ci. Une conduite (non représentée) de carburant est reçue perpendiculairement dans l'extrémité 40 d'entrée de carbu- rant. L'extrémité de refoulement 48 du tube 32 d'alimenta- tion en carburant se termine par un ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant,'bouchon d'extrémité vissé sur le tube 32 d'alimentation en carburant. L'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant/bouchon d'ex- trémité comporte une partie formant jupe filetée 50 pour fixer l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carbu- rant/bouchon d'extrémité à l'extrémité 48 de refoulement, un collet 51 et une partie formant bouchon d'extrémité 53 pour l'enclenchement de l'extrémité 60 du tube 34 d'alimen- tation en air. Une rondelle d'étanchéité 52 est intercalée entre le collet 51 et la partie foreant jupe filetée 50 pour empêcher les fuites de carburant depuis le tube d'ali- mentation en carburant. La partie formant bouchon d'extré- mité 53 est en outre pourvue d'une ouverture centrale com- muniquant avec l'ouverture centrale de l'extrémité d'ali- mentation 48 pour le refoulement du carburant depuis le tube 32 d'alimentation en carburant. La partie formant bouchon d'extrémité 53 est en outre pourvue de petits ori- fices 56 espacés équiangulairement autour de l'ouverture centrale 54, communiquant avec le passage annulaire 58 pour air pour le refoulement d'air issu du passage 58 à travers les orifices 56 pour diriger de l'air de pulvérisation dans une direction convergente prédéterminée afin d'inter- capter et de pulvériser le carburant sortant de l'ouver- ture centrale 54 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injec- teur de carburant/bouchon d'extrémité. Le tube 34 d'alimentation en air s'étend dans le sens axial du tube 32 d'alimentation en carburant et concentri- quement à celui ci pour définir le passage annulaire 58 pour air entre la paroi extérieure du tube 32 d'alimentation en carburant et la paroi intérieure du tube 34 d'alimentation en air sur toute leur étendue axiale commune. L'extrémité du tube 34 d'alimentation en air s'accouple avec la partie formant bouchon d'extrémité 53 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant/bouchon d'extrémité, d'une manière à décrire plus complètement ultérieurement, pour réaliser l'étanchéité entre le tube 34 d'alimentation en air et le tube 32 d'alimentation en carburant. L'embase de support 36, qui supporte le tube d'alimen- tation en carburant sur le moteur de turbine à gaz, s'étend radialement vers l'extérieur depuis le tube 32 d'alimenta- tion en carburant. L'embase de support 36 a une entrée filetée, s'étendant radialement, d'air de pulvérisation pour recevoir une conduite d'air (non représentée). L'em- base de support comporte aussi une ouverture 42 de récep- tion de ressort pour recevoir un ressort 44 de sollicitation. Quand on monte le tube 34 d'alimentation en air sur le tube 32 d'alimentation en carburant, le ressort de solli- citation 44 se comprime en exerçant un effort axial sur la rondelle biseautée 46. A son tour, la rondelle biseautée 46, en agissant par l'intermédiaire d'un segment fendu 47 de piston, exerce une pression axiale sur le tuve 34 d'ali- mentation en air. L'ensemble d'une seule pièce 49 injec- teur de carburant.bouchon d'extrémité est fixé au tube 34 d'alimentation en carburant en vissant la partie formant jupe filetée 50 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant/bouchon d'extrémité dans l'extrémité 48 d'ali- mentation du tube 34 d'alimentation en carburant jusqu'à ce qu'elle soit serrée. Une fois que l'ensemble d'une seule pièce injecteur de carburant/bouchon d'extrémité est fixé au tube 32 d'alimentation en carburant, le tube 34 d'ali- mentation en air, sous l'influence de la pression axiale exercée par le ressort de sollicitation 44, pousse en un ajustement serré lapartie formant bouchon d'extrémité 53 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant/ bouchon d'extrémité. Ainsi, le tube 32 d'alimentation en carburant et le tube 34 d'alimentation en air sont étanches l'un par rapport à l'autre de sorte qu'il ne risque pas de se produire de fuites d'air de pulvérisation néfastes à la pulvérisation du carburant. En outre, le segment fendu 47 de piston, en agissant sous l'effet de la pression exercée par la rondelle biseau tée 46, exerce une pression radiale sur sa circonférence commune avec l'embase de support 36 afin de supprimer tout vide entre l'embase de support 36 et le tube 34 d'alimen- tation en air. Ainsi, les fuites supplémentaires d'air qui, autrement, surviendraient à l'interface embase de support 36/tube 34 d'alimentation en air sont supprimées par l'assemblage étanche à l'air entre l'embase de support 36 et le segment fendu 47 de piston. L'alignement du passage annulaire 58 pour air et des orifices 56 est réalisé par une lèvre 62 de la partie formant bouchon d'extrémité 53. A mesure que la partie filetée 50 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant! bouchon d'extrémité est serrée sur le tube 32 d'alimenta- tion en carburant, la lèvre saillante 62 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant/bouchon d'extrémité vient appuyer contre la partie terminale saillante 61 de l'extrémité 60. La venue en contact de la partie terminale 61 et de la lèvre saillante 62 aligne selon une orientation voulue le tube 34 d'alimentation en air et l'ensemble d'une seuile pièce 49 injecteur de carburant/bouchon d'extrémité, ce qui aligne simultanément le passage annulaire 58 pour air et l'orifice 56 de sorte que l'air empruntant le pas- sage 58 pour air communique avec l'orifice 56. Quand l'agencement 30 d'injecteur de carburant selon la présente invention est soumis à des températures nor- males, c'est-à-dire en l'absence de différence extrême de température entre le carburant circulant dans le tube 32 d'alimentation en carburant et le tube 34 d'alimentation en air, les tubes d'alimentation en carburant et en air sont étanches à l'interface de la partie extrême 53 de l'ensemble d'une seule pièce 49 injecteur de carburant et bouchon d'extrémité et l'extrémité 60 du tube 34 d'alimen-- tation en air. Aucun vide n'existe à l'interface, et le passage 58 pour air ne risque pas de s'encrasser. Globa- lement, la pulvérisation du jet de carburant par l'air donne la configuration voulue de jet nodulaire pulvérisé. Quand l'agencement d'injecteur de carburant selon la présente invention est soumise à une dilatation axiale du tube d'alimentation en air causée par les conditions ther- miques extrêmes qui apparaissent pendant le fonctionnement du moteur de turbine à gaz, le tube 34 d'alimentation en air se dilate axialement par rapport à la partie formant bouchon d'extrémité 53. L'interface d'étanchéité entre l'extrémité 60 et la partie formant bouchon d'extrémité 53 est serrée en améliorant ainsi l'étanchéité entre les deux pour empêcher les fuites d'air de pulvérisation. La pour- suite de la dilatation axiale du tube 34 d'alimentation en air comprime le ressort de sollicitation 44 et ne provoque pas la séparation du joint étanche entre le tube 32 d'ali- mentation en carburant et le tube 34 d'alimentation en air car le ressort de sollicitation 44 absorbe la dilatation axiale du tube 34 d'alimentation en air. L'effort axial accru dû à la compression du ressort de sollicitation 44 augmente aussi la pression radiale du segment fendu 47 de piston sur l'embase de support 36 pour réduire encore da- vantage les fuites d'air à l'interface embase de support 36/tube 34 d'alimentation en air en renforçant le joint étanche à l'air entre l'embase de support 36 et le segment fendu 47 de piston. Avec cet agencement, les ouvertures d'injection de car- burant et d'injection d'air sont toujours dans les mêmes relations spatiales, ce qui est tout C fait important pour un bon démarrage et, par ailleurs, aucune fuite d'air de- puis le tube d'alimentation en air ne perturbe l'écoulement d'air depuis l'injecteur Enfin, le remplacement de l'in- jecteur de carburant implique automatiquement le rempla- cement des injecteurs d'air, si bien qu'une bonne coopéra- tion est assurée. ll Revendications 1. Agencement d'injecteur de carburant pour turbine gaz, comprenant un tube (32) d'alimentation en carburant faisant saillie depuis une embase de support (36) et ayant une extrémité (48) pour alimentation à l'opposé de ladite embase de support (36) et un tube (34) d'alimentation en air entourant concentriquement ledit tube (32) d'alimen- tation en carburant de manière espacée par rapport à ce dernier de façon à définir entre eux un passage annulaire (58) pour conduire de l'air depuis ladite embase de support (36) jusqu'à ladite extrémité (48) pour alimentation, carac- térisé en ce qu'une structure d'injecteur (53) de carburant et d'air d'une seule pièce est montée sur l'extrémité (48) pour alimentation dudit tube d'alimentation en carburant, ladite structure d'injecteur (53) ayant une ouverture cen- trale (54) d'injecteur de carburant de façon à recevoir du carburant depuis ledit tube (32) d'alimentation en car- burant et des passages (56) d'air aménagés autour de ladite ouverture centrale (54) d'injecteur de carburant et cormmu- niquant avec ledit passage annulaire (58) pour recevoir depuis celui-ci de l'air de pulvérisation sous pression, ledit tuyau (34) d'alimentation en air ayant une extrémité d'alimentation (60) reposant sur ladite structure d'injec- teur (53), et en ce que des moyens sont présents sur ladite embase de support (36) pour supporter de manière mobile ledit tube (34) d'alimentation en air et pour pousser de manière élastique ladite extrémité d'alimentation (60) au contact de ladite structure d'injecteur (53). 2. Agencement d'injecteur de carburant selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ledit tube d'alimentation en air est supporté dans ladite embase de support (36) en coulissant de manière étanche par rapport à celle-ci, et en ce que des ressorts (44) sont disposés dans des ouver- tures (42) de ladite embase de support (36) pour pousser ledit tube d'alimentation en air vers ladite structure d'injecteur (53). 3. Agencement d'injecteur de carburant selon la reven- dication 2, caractérisé en ce qu'un segment fendu (47) de piston est présent pour assurer l'étanchéité entre ladite embase de support et l'extrémité du tube d'air reçu de manière coulissante dans celle-ci. 4. Agencement d'injecteur de carburant selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que ledit segment (47) de piston est biseauté et une rondelle biseautée (46) est disposée sur ledit segment de piston, et en ce que lesdits ressorts butent contre ladite rondelle biseautée de façon à pousser ledit segment (47) de piston vers l'extérieur pour appuyer de manière étanche contre la paroi de l'embase de support.