Brevet FR2640318A1 — publié le 19900615

La présente invention concerne des injecteurs de carburant à pulvérisation aérodynamique pour turbomoteur et plus particulièrement des injecteurs pouvant fonctionner efficacement dans une large gamme de niveaux de puissance et de débit de carburant. Les exigences en matière de performances d'injecteurs de carburant pour des turbomoteurs ont été accrues d'une manière permanente ces dernières années. De nouveaux moteurs à rendement plus élevé fonctionnent dans une gamme de conditions de fonctionnement plus large et les modes de fonctionnement traditionnels des aéronefs ont été notablement modifiés afin d'obtenir une économie de carburant. Les débits de carburant peuvent varier de moins de 4,5kg/h à plus de 36,3kg/h par heure. En même temps les exigences en matière d'émission gazeuse sont devenues beaucoup plus contraignantes. L'intervalle de temps entre les réparations de la section très chaude du moteur va en augmentant et dans certaines applications il y a un intérêt croissant à utiliser des carburants de qualité inférieure. Les injecteurs typiques suivant la technique antérieure qui peuvent s'appliquer à la présente invention, peuvent être regroupés en deux catégories générales à savoir les "injecteurs doubles" et les "injecteurs à pulvérisation aérodynamique seule". Les injecteurs doubles comprennent un composant de pulvérisation sous pression intervenant dans le cas d'un fonctionnement à faible débit de carburant et un composant de pulvérisation aérodynamique intervenant dans le cas d'un fonctionnement avec des débits de carburant élevés. Deux systèmes de commande de carburant séparés et synchronisés sont alors exigés. Les injecteurs à pulvérisation aérodynamique seule utilisent la pulvérisation aérodynamique sur la totalité de la plage de fonctionnement du moteur. Un tel injecteur qui est un exemple typique de ceux utilisés dans les turbomoteurs commerciaux avancés, est représenté sur la figure 1 illustrant l'art antérieur. Du carburant est injecté à travers une buse de pulvérisation sous pression A et de l'air sous pression est projeté dans la chambre de combustion par le noyau B de la buse et en C à la périphérie externe du flux de carburant de la buse. Un article de la revue American Institute of Aeronautics and Astronautics paper ayant pour titre "Influences on Fuel Spray Circumferential Uniformity" par T.J. Rosjford et S. Russell, AIAA-87-2135 du 29 Juin 1987, présente une analyse de sensibilité et expose des caractéristiques de conception détaillées d'injecteurs à pulvérisation aérodynamique avancés. Les injecteurs à pulvérisation aérodynamique modernes utilisent un équilibre délicat des quantités de mouvement des débits d'air et de carburant afin d'atteindre des niveaux élevés de pulvérisation. Il en résulte que ces injecteurs sont particulièrement susceptibles de présenter des perturbations qui peuvent se traduire par des débits de carburant indésirables. De tels injecteurs suivant la technique antérieure ont généralement présenté de faibles performances pour des conditions de fonctionnement à faible débit et à un certain moment ils ont montré une mauvaise uniformité dans le sens circonférentiel pour des débits de carburant élevés. Les scientifiques et ingénieurs sont actuellement à la recherche de nouveaux progrès permettant d'obtenir un fonctionnement amélioré dans l'une ou l'autre de ces conditions de fonctionnement. Un but de la présente invention est de fournir un injecteur de carburant pour un turbomoteur capable de fonctionner d'une manière efficace dans une large gamme de débits de carburant. Des buts particulièrement visés sont l'obtention d'une pulvérisation rapide et totale du carburant s'écoulant vers la chambre de combustion d'un tel moteur, avant le démarrage de la combustion. Les caractéristiques essentielles suivant la présente invention sont constituées par le venturi prévu dans le noyau de l'injecteur de carburant et la chambre à tourbillon qui est disposée radialement vers l'extérieur par rapport au venturi. D'autres caractéristiques sont constituées, dans les formes d'exécution détaillées, par des aubes génératrices de tourbillon orientées radialement, situées à l'endroit de l'orifice d'entrée du carburant dans la chambre à tourbillon, la paroi se trouvant à l'extrémité amont de cette chambre et la lèvre de conformation du carburant à l'extrémité aval de la chambre. Le carburant est soumis à un tourbillon dirigé radialement vers l'intérieur par les aubes génératrices de tourbillon, avant de pénétrer dans la chambre. Pour de faibles débits de carburant l'air du noyau qui s'écoule sur la paroi amont, forme un tore tourbillonnant dans lequel le carburant et l'air du noyau sont mélangés. Le mélange air/carburant est ensuite aspiré en travers de la lèvre de conformation du carburant à l'extrémité aval de la chambre à tourbillon, et ce par l'air s'écoulant à travers le venturi prévu dans le noyau de l'injecteur de carburant, et il est déchargé, conjointement avec cet air, dans la chambre de combustion du turbomoteur. Pour des débits élevés de carburant, celui-ci tourbillonne librement dans la chambre de manière à former un film uniforme de carburant sortant de cette chambre en passant par-dessus la paroi aval. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'un injecteur de carburant à pulvérisation aérodynamique du type utilisé jusqu'à présent dans des turbomoteurs. La figure 2 est une vue en coupe axiale simplifiée d'un injecteur de carburant à pulvérisation aérodynamique suivant l'invention. La figure 3A est une vue en coupe, à plus grande échelle, de la chambre à tourbillon de l'injecteur de carburant représenté sur la figure 2 dans le cas d'un fonctionnement avec un faible débit de carburant. La figure 3B est une vue en coupe, à plus grande échelle, de la chambre à tourbillon de l'injecteur de carburant représenté sur la figure 2 dans le cas d'un fonctionnement avec un débit élevé de carburant. Une vue en coupe axiale simplifiée de l'injecteur de carburant 10 suivant l'invention, pour un turbomoteur, est représentée sur la figure 2. L'injecteur est du type monté en amont d'une chambre de combustion (non représentée) d'un turbomoteur. L'injecteur illustré est couramment considéré comme un injecteur à pulvérisation aérodynamique. Un corps d'injecteur de carburant 12 supporte l'extrémité active 14 de l'injecteur. Les éléments les plus caractéristiques de cette extrémité active sont le passage d'air du noyau 16, le passage d'air externe 18 et le passage du carburant 20. Une portion amont 22 du passage d'air du noyau 16 est formée entre l'extrémité aval du corps 12 de l'injecteur de carburant et une prise d'air du noyau 24. Une portion aval 26 du passage du noyau est formée au centre de l'extrémité aval du corps d'injecteur de carburant et elle présente un contour ayant la forme d'un venturi. Des moyens 28 pour la production d'un tourbillon d'air du noyau sont prévus en travers de l'extrémité aval du corps d'injecteur de carburant, entre la portion amont du passage d'air du noyau et la portion aval de ce passage. Une pluralité d'aubes dirigeant l'air vers l'intérieur constituent les moyens générateurs de tourbillon illustrés sur la figure 2. Une pluralité de fentes, de trous ou toute autre structure équivalente pourraient être également employés dans des variantes d'exécution. Une portion amont du passage de carburant 20 est formée entre l'extrémité aval de la structure de la prise d'air du noyau 24 et l'extrémité aval du corps d'injecteur 12. Un anneau 32 est formé en particulier. Du carburant peut s'écouler vers l'anneau 32 en passant à travers un ou plusieurs tubes d'alimentation en carburant 34. A partir de l'anneau 32, le passage du carburant 20 s'étend vers l'intérieur en travers d'une pluralité de moyens générateurs d'un tourbillon du carburant 36, lesquels peuvent être réalisés sous la forme d'aubes ou de fentes, orientées radialement, usinées dans l'extrémité aval du corps d'injecteur de carburant ou dans la structure de la prise d'air du noyau. En aval des moyens générateurs du tourbillon de carburant 36 se trouve une chambre à tourbillon 38. Cette chambre est délimitée par une paroi amont 40 et une paroi aval 42, les fonctions de ces parois étant étudiées d'une manière plus détaillée ci-après. La paroi aval 42 diverge à partir de la paroi amont avec un contour arrondi, afin de constituer entre ces parois la chambre à tourbillon 38. Une prise d'air externe 44 est disposée autour de la prise d'air du noyau 24, afin de former le passage d'air externe 18. L'extrémité aval 46 de la prise d'air externe 44 s'étend radialement vers l'intérieur, en direction de l'axe de l'injecteur du carburant, afin de donner au passage d'air externe un contour de forme correspondante, dirigé vers l'intérieur. Des moyens générateurs d'un tourbillon de l'air externe, tels que des aubes 48, sont disposés en travers du passage d'air externe 18, entre la prise d'air du noyau 24 et la prise d'air externe 44. Dans la forme d'exécution représentée des moyens générateurs de tourbillon additionnels sont disposés le long de la portion du passage d'air externe 18 qui s'étend radialement vers l'intérieur, à l'endroit de la prise d'air externe 44. Pendant le fonctionnement d'un turbomoteur sur lequel est monté l'injecteur de carburant décrit ci-dessus, le carburant s'écoule à travers le tube d'alimentation 34 pour pénétrer dans l'anneau 32. Le carburant sort de cet anneau 32 en s'écoulant en travers des moyens générateurs de tourbillon 36, et il pénètre dans la chambre à tourbillon 38. Le carburant ainsi déchargé a à la fois une composante de vitesse orientée dans le sens circonférentiel et une composante de vitesse orientée radialement vers l'intérieur si bien que le carburant est réparti d'une manière régulière tout autour de la chambre à tourbillon. Les moyens générateurs de tourbillon qui sont orientés radialement, sont plus efficaces, pour l'obtention d'un flux de carburant uniforme, que les générateurs de tourbillon axiaux utilisés couramment. La décharge du carburant avec une composante de vitesse circonférentielle et une composante de vitesse dirigée vers l'intérieur se traduit par une répartition régulière du carburant tout autour de la chambre et ceci réduit la tendance à l'agglomération du carburant d'un c6té de l'injecteur, pour de faibles débits de carburant. Le passage d'air du noyau 16 est profilé de manière à présenter la forme d'un venturi. Le carburant est introduit dans le courant d'air du noyau, en passant à travers la chambre à tourbillon 38, en un point qui est situé, le long du venturi, juste en aval du col de celui-ci, c'est-à-dire de l'endroit à restriction maximale, afin de tirer parti de la capacité d'aspiration du courant d'air du noyau. Ceci contribue additionnellement à la répartition du carburant. Si on se réfère à la figure 3A, on voit que le volume de la chambre à tourbillon 38 est relativement petit comparativement au volume de la chambre de combustion vers laquelle le carburant est habituellement déchargé et elle peut être considérée comme un espace à diminution de tourbillon. Cet espace à diminution de tourbillon ou chambre à tourbillon a de préférence une forme telle que sa paroi amont soit perpendiculaire au courant d'air du noyau à travers le venturi. Lorsque l'air tourbillonnant s'écoule en regard de cette paroi amont, un trajet de recirculation est établi dans la chambre à tourbillon 38. Le trajet de recirculation est celui d'un tore d'air tourbillonnant qui aspire d'une manière très efficace le carburant, dans le sens circonférentiel, pour le mélanger avec l'air dans ladite chambre. Il en résulte une répartition uniforme même pour des débits très faibles. Le volume dans l'espace ou la chambre à tourbillon 38 est dimensionné, pour chaque type de moteur, de manière à fournir un volume approprié pour des débits de carburant élevés. Le volume doit être suffisamment grand pour permettre au carburant de tourbillonner librement et de s'aplatir ainsi vers l'extérieur contre la paroi aval de la chambre ainsi qu'il est représenté sur la figure 3B. D'une manière idéale le carburant est déchargé, pour des débits de carburant élevés, sous la forme d'un film uniforme. Si la chambre à tourbillon est trop petite et l'espace entre les parois est trop étroit pour pouvoir permettre l'établissement d'un "tourbillon libre", les jets de carburant individuels provenant des moyens générateurs de tourbillon ne sont pas diffusés. Dans un tel cas la répartition circonférentielle du carburant obtenue n'est pas uniforme. L'établissement d'un tourbillon libre entraîne accesscirement une réduction de la sensibilité de la structure à des irrégularités de fabrication telles que des imperfections dans la concentricité des multiples pièces et détails contenus dans l'injecteur de carburant. Dans la forme d'exécution représentée, l'air du noyau est introduit, à l'endroit des moyens générateurs de tourbillon 28, à travers une coupelle de turbulence à entrée radiale. Cette coupelle de turbulence d'entrée d'air évite le flux "en rayons" qui est fréquemment associé à des générateurs de tourbillon axiaux, et aux défauts d'uniformité résultants dans la répartition du cône de pulvérisation. La région arrondie de la paroi aval assure la conformation du carburant en un film uniforme à l'endroit de la décharge. Le contour du passage d'air du noyau comportant la lèvre de formation d'un film de carburant établit l'angle de décharge du flux d'air du noyau. L'angle de décharge du flux d'air du noyau et l'angle de la lèvre de formation du film de carburant, à l'endroit de la décharge, par rapport à l'axe de l'injecteur de carburantHX sont pratiquement les mêmes. Des angles de l'ordre de 45 à 50 degrés sont courants pour la plupart des formes d'exécution de la présente invention. Comme dans le cas de passages d'air conventionnels, des variations du profil de décharge sont rendues possibles en modifiant la résistance du générateur du tourbillon et la géométrie du passage. Une possibilité d'une plus grande commande du profil de décharge de l'air du noyau est importante pour améliorer les caractéristiques d'extinction, de soufflage en mélange pauvre et de formation de fumée du moteur pour chaque application à un moteur. Tout ceci peut être obtenu avec la souplesse de conception fournie par la pulvérisation et la répartition uniformes du carburant suivant la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Injecteur de carburant pour turbomoteur du type dans lequel le carburant est injecté dans un courant d'air de pulvérisation d'un noyau caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (36,38) pour injecter le carburant, radialement vers l'intérieur, dans le courant d'air du noyau, ces moyens comportant une chambre à tourbillon (38) située à l'extérieur, dans le sens radial, du courant d'air du noyau et débouchant dans ce courant d'air du noyau et des moyens générateurs de tourbillon (36) situés en amont de la chambre à tourbillon (38) et en travers desquels le carburant peut s'écouler vers et dans la chambre à-tourbillon (38). 2.- Injecteur de carburant suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre à tourbillon (38) comprend une paroi amont (40) et une paroi aval (42) et les moyens générateurs de tourbillon (36) sont placés à proximité immédiate de la chambre (38) de t-elle façon que les moyens générateurs de tourbillon (36) amènent le carburant à être réparti régulièrement tout autour de la chambre (38), pendant le fonctionnement. 3.- Injecteur de carburant suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le volume de la chambre à tourbillon (38) est suffisant pour provoquer la formation d'un tore tourbillonnant de carburant et d'air dans la chambre (38), pour de faibles débits de carburant. 4.- Injecteur de carburant suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le carburant est réparti sur les parois pour des débits de carburant élevés. 5.- Injecteur de carburant suivant la revendication 1 264931i il caractérisé en ce qu'il comprend une paroi délimitant, dans le sens radial, le courant d'air du noyau et cette paroi est profilée de manière à former un venturi capable de produire une région à basse pression dans la chambre à tourbillon (38), lorsque le courant d'air du noyau s'écoule en regard de celle-ci. 6.- Injecteur de carburant suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la chambre à tourbillon (38) débouche dans le courant d'air du noyau en un emplacement, le long de la paroi du venturi, qui est situé en aval du point du venturi o la restriction est maximale. 7.- Injecteur de carburant suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la paroi amont (40) est orientée sensiblement perpendiculairement à la direction du courant d'air du noyau. 8.- Injecteur de carburant suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lèvre (42) de formation d'un film de carburant en un emplacement coïncidant avec l'extrémité aval de la paroi délimitant le courant d'air du noyau et avec l'emplacement de la décharge du carburant à partir de la chambre à tourbillon (38).