Brevet FR2695713A1 — publié le 19940318

Svstme d'injection aerodvnamlque à prémélange La pressente invention concerne un système d'injection aérodynamique susceptible d'alimenter les zones plein gaz d'une chambre de combustion, notamment à volumc sectorisé. La réductiorsde la pollution atmosphérique est de plus en plus préoccupante. Cette situation a conduit lensomble des motoristes de l'aéronautique à proposer des solutions nouvelles pour la chambre de combustion. La chambre à volume sectorisé est une de ces solutions.Dans cette chambre, il est prévu dans le fond de chambre des injecteurs conventionnels pour Ic régimc de ralenti et des systèmes d'injection équipant des têtes plein gaz qui alternent avec les injecteurs conventionnels et qui sont décalées axialement dans le foyer afin de réduire le temps dc séjour des gaz dans la chambre de combustion et par là la production des oxydes d'azote,notammcnt à pleine chargc comme dans les phases de décollage et en régime de croisière. Ces systèmes d'injection comportent en général un cylindre qui s'étend dans la chambre de combustion à partir du fond de chambre et un conduit de carburant disposé dans l'axe dudit cylindre et se terminant par une pluralité d'orifices d'injection de carburant, le débit d'air de pulvérisation étant introduit dans ledit cylindre par une vrille entourant le conduit dc carburant. L'inconvénient de ces systèmes est que les orifices d'injection de carburant sont exposés aux hautes températurcs des flammes, ce qui peut entraîner une production de coque. D'autrc part, il y a des risques d'auto-inflammation dans le cylindre. Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients; La présente invention concerne donc un système d'injection aérodynamique susceptible d'alimenter les zones plein gaz d'une chambre de combustion en particulier de turbomachine, comportant un cylindre qui s'étend dans la chambre de combustion à partir du fond de chambre, un conduit de carburant disposé axialement dans ledit cylindre et se terminant par une pluralité d'orifices d'injection de carburant ct une première vrille entourant ledit conduit de carburant pour l'admission d'un débit d'air de pulvérisation. Ce systèmc d'injection est caractérisé en ce qu'il comportc en outre: un dôme présentant un bouclier déflecteur disposé sensiblement dans le plan de l'extrémité aval dudit cylindre, et une paroi annulaire entourant ladite première vrille et dans laquelle sont ménagés des orifices radiaux, une deuxième vrille interposée entre ladite paroi annulaire de dôme et ledit cylindre et située en amont desdits orifices radiaux, le débit d'air de pulvérisatsen étant partagt en un premier flux d'aire alimenté par ladite première vrille et en un deuxième flux dgair alimente par ladite deuxième vrille, ledit dôme définissant une chambre intérieure dans laquelle le carburant injecte est mélange au premier flux d'air pour former un prémélange très riche qui s'évacue de ladite chambre intérieure par lesdits orifices radiaux et est cisaillé par le deuxième flux d'air pour former un mélange riche. Grâce à cctte disposition, le bouclicr, rcfroidi dans sa partie interne par le prémélange, isole l'injecteur de carburant de l'ambiance du foyer de combustion. De plus, le temps de séjour du prémélange riche dans l'espace annulaire délimité par le dôme et le cylindre est très court, ce qui diminue les risque d'autoinflammation dans le cylindre. Avantageusement, une buse est interposée entre ladite première vrille ct ladite paroi annulaire du dôme, ladite buse s'étendant vers ledit bouclier déflecteur afin de partager ladite chambre intérieure en un passage pour le premier flux d'air et en une chambre de prémélange délimitée par ledit dôme et ladite buse ct au fond dc laquelle débouchent les orifices radiaux. Des aubes radiales sont disposées dans le fond de ladite chambre de prémélange. Elles sont destinées à mettre en rotation le prémélange circulant dans laditc chambre annulaire. Le débit du premier flux d'air est tel que le rapport d'équivalence du prémélange est sensiblement égal à quinze fois le rapport stoechiométrique. Le débit du deuxième flux d'air est sensiblement égal à cinq fois le débit du premier flux d'air. D'autres avantages et caractéristiques dc l'invention ressortiront à la Iccture de la description faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe axiale du système d'injection de la présente invention, la figure 2 est une coupe selon la ligne II II de la figure 1, la figure 3 est une coupe circonférentielle selon la ligne III III de la figurelet la figure 4 montre en détail le mode de fixation du cylindre du système d'injection sur le fond de chambre. Sur le dessin, on a représente par 1 un système d'injection susceptible d'alimenter les zones plein gaz 2 d'une chambre de combustion annulaire 3 d'une turbomachine. Cette chambre de combustion annulaire 3 est délimitée par deux viroles tiulaires 4 et 5*reliées en amont par un fond de chambre 6. Le fond de chambre 6 est équipé d'une pluralité d'injecteurs conventionnels dits de ralenti, non représentés sur le dessin et d'une pluralité de systèmes d'injection 1 dits de décollage, qui alternent avec les injecteurs de ralenti. Le système d'injection 1 comporte un conduit de carburant 7 disposé dans l'axe 8a d'un cylindre 8 qui s'étend à partir du fond de chambre 6 dans le foyer de la chambre de combustion 3. L'axe 8a définit la direction générale de l'écoulement des gaz dans la chambre de combustion 3. Le conduit de carburant 7 est entouré par une première vrille 9 sur laquelle est montée une buse 10 de forme sensiblement tronconique et qui s'étend vers l'aval à parti de la vrille 9 afin de délimiter entre la buse 10 et la partie aval 11 du conduit de carburant 7 un passage annulaire 12 pour le premier flux d'air F1 alimenté par la vrille 9.La buse 10 est maintenue par l'intermédiaire d'un anneau 13 à la paroi annulaire 14 d'un dôme 15 qui présente en aval de l'extrémité libre 16 de la buse 10 et sensiblement dans le plan de l'extrémité aval 17 du cylindre 8 un bouclier déflecteur 18. Le dôme 15 délimite avec la buse 10 une chambre de prémélange 19 dans laquelle le jet de carburant 20 issu d'orifices d'injection 21 prcvus à l'extrémité aval du conduit de carburant 7 est mis en rotation par le premier flux d'aire F1 pour former un prémélange très riche. Cette chambre de prémélange 19 communique avec l'extérieur du dôme 15 par l'intermédiaire d'une pluralité d'orifices radiaux 22 ménagés dans la paroi annulaire 14 du dôme 15. Une deuxième vrille 23 est interposée entre la paroi annulaire 14 du dôme 15 et la partie amont 24 du cylindre 8. Cette deuxième vrille 23 est disposée en amont des orifices radiaux 22, afin qu'un deuxième flux d'air F2 alimenté par la vrille 23 vienne cisailler le prémélange très riche issu des orifices radiaux 22. Le mélange air-carburant ainsi obtenu est évacué dans les zones plein gaz 2 dc la chambre dc combustion 3 par le passage annulaire 26 délimité par le cylindre 8 ex le dôme 15. Les parois de la buse 10 et du dôme 15 sont conformées de manière à favoriser la rotation du prémélange très riche et l'évacuation de ce prémélange par les orifices radiaux 22. Des aubes radiales 27, destinées à favoriser la rotation du prémélange sont disposées dans le fond de la chambre 19, entre la buse 10 et la paroi annulaire 14 du dôme 15. Les orifices radiaux 22 débouchent dans le fond de la chambre de prémélange 19. Afin d'obtenir une réduction maximale de l'oxyde d'azote, le débit du premier flux d'air F1 est sensiblement égal à 2 % du débit d'air global de la chambre 3 et le débit du deuxième flux d'air F2 est sensiblement égal à 10 % de ce même débit d'air global. Enfin, environ 30 % du débit d'air global de la chambre est introduit dans la chambre de combustion par les orifices primaires 28 et 29 prévus respectivement dans les viroles tubulaires 4 et 5. Le reste de l'air global sert au refroidissement de la chambre 3 et est injecté en tant quair de dilution en aval des zones plein gaz 2. L'injecteur aérodynamique décrit ci-dessus fonctionne de la manière décrite ci-après. Le jet de carburant 20 issu des orifices d'injection 21 est mis en rotation dans la zone centrale de la chambre de prémélange 19 par le premier flux d'air F1 fourni par la premiers vrille 9. Le prémélange ainsi obtenu est très riche avec un rapport d'équivalence qui est sensiblement égal à quinze fois le rapport stoechiométrique. Ce prémélange refroidit le bouclier déflecteur 18 et évite tout dépôt de coke à la sortie des orifices de carburant 21. Le prémélange est ensuite dirigé vers la zone radialement extérieure de la chambre de prémélange 19 pour être mise en rotation par les aubes radiales 27 et évacué au travers des orifices radiaux 22.Le deuxième flux d'air F2 traversant la deuxième vrille 23 vient cisailler le prémélange sortant des orifices radiaux 22 pour former un mélange riche en carburant dont le rapport d'équivalence est compris entre 1,5 et 2,6 fois le rapport stoechiométrique selon les régimes de la turbomachine. Du fait que dans la chambre de combustion à volume sectorisé, les cylindre 8 baignent dans une zone primaire des modules pilotes, ces cylindres 8 nécessitent un dispositif particulier de refroidissement. pour ce faire, la paroi du cylindre 8 est constituée de deux peaux 30 et 31 sensiblement parallèles et séparées par des pontets 32, disposés en quinconce. Les peaux 30 et 31 sont reliées à leurs extrémités aval 17 et elles sont conformées de telle manière que la partie aval du cylindre 8 est convergente. La peau extérieure 30 comporte dans sa partie convergente une pluralité d'orifices 33 disposés sur plusieurs rangées. L'extrémité amont de la peau extérieure 30 forme unc collerette 34 destinée à la fixation du cylindre 8 sur le fond de chambre 6. Cette collerette 34 comporte une pluralité d'orifices 35 par lesquels de l'air pénètre pour permettre le refroidissement par film de la peau extérieure 30. Dans l'espace séparant les peaux 30 et 31 de l'air circule d'amont en aval entre les pontets 32 pour refroidir par convection. Cet air est évacué dans la chambre 3 par les orifices 33. - Les avantagcs attendus du système d'injection de l'invention sont énumérés ci-après: - le bouclier 18 est refroidi dans sa partie interne par le prémélange formé dans la chambre de prémélange 19. Il isole l'injecteur de carburant de l'ambiance du foyer dc combustion; - le temps de séjour du mélange riche en aval de la deuxième vrille 23 est très court, ce qui diminue les risques dauto-inflammation dans le cylindre 8; - le refroidissement du cylindre 8 est efficace, en particulier grâce au refroidissement par transpiration; - la richesse en zone primaire de la tête plein gaz n'est jamais stoechiométrique, ce qui est favorable à la réduction des oxydes d'azote; - les orifices axiaux peuvent être aisément positionnés en dehors du sillage de la deuxième vrille 23. REVENDTCATIONS 1. Système d'injection aérodynamique susceptible d'alimenter les zones plein gaz (2) d'une chambre de combustion (3) comportant un cylindre (8) qui s'étend dans la chambre de combustion (3) à partir du fond de chambre (6), un condwt dc carburant (7) disposé dans l'axe (8a) dudit cylindre (8) et se terminant par une pluralité d'orifices injection (21) de carburant, et une première vrille (9) entourant ledit conduit de carburant (7) pour l'admission d'un débit d'air de pulvérisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre:: un dôme (15) présentant un bouclier (18) déflecteur disposé sensiblement dans le plan de l'extrémité aval (17) dudit cylindre (8) et une paroi annulaire (14) entourant ladite première vrille (9) et dans laquelle sont ménagés des orifices radiaux (22), une deuxième vrille (23) interposée entre ladite paroi annulaire (14) et ledit cylindre (8) et située en amont desdits orifices radiaux (22), le débit d'air de pulvérisation étant partagé en un premier flux d'air (F1) alimenté par ladite première vrille (9) et en un deuxième flux d'air (F2) alimenté par ladite deuxième vrille (23), ledit dôme définissant une chambre intérieure (19) dans laquelle le carburant injecté (20) est mélangé au premier flux d'air (F1) pour former un prémélange très riche qui s'évacue de ladite chambre intérieure par lesdits orifices radiaux (22) et est cisaillé par le deuxième flux d'air (F2) pour former un mélange riche. 2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: une buse (10) interposée entre ladite première vrille (9) et ladite paroi annulaire (14) et s'étendant vers ledit bouclier (18) afin de partager ladite chambre intérieure en un passage (12) pour le premier flux d'air (F1) et en une chambre de prémélange (19) délimitée par ledit dôme et ladite buse (10) et au fond de laquelle débouchent lesdits orifices radiaux (22). 3. Système d'injection selon la revendication 2, caractérise en ce que des aubes radiales (27) sont disposées dans le fond de ladite chambre de prémélange (19). 4. Système d'injection selon lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport d'équivalence du prémélange est sensiblement égal à quinze fois le rapport stoechiométrique.