Brevet FR2694799A1 — publié le 19940218

CHAMBRE DE COMBUSTION ANNULAIRE CONVENTIONNELLE A PLUSIEURS INJECTEURS La présente invention concerne le domaine des turbomachines et notamment des turboréacteurs d'aviation. Les turboréacteurs d'aviation peuvent être soumis à des régimes variés, notamment le régime de ralenti, le régime de décollage et le régime de croisière. D'autre part, il est demandé à ces turboréacteurs d'émettre peu de gaz polluants et notamment peu d'oxydes d'azote, quel que soit leur régime, tout en conservant une stabilité de la flamme afin d'éviter une extinction de la chambre de combustion dans les phases critiques de vol, notamment en descente pendant la phase d'atterrissage. Il est connu que la production des oxydes d'azote est notablement élevée, à haute température, lorsque l'air forme un mélange stoechiométrique avec le carburant et que cette production d'oxydes d'azote est d'autant plus importante que le mélange stoechiométrique réside longtemps dans la chambre de combustion. Ces conditions sont réunies à plein régime dans les turboréacteurs traditionnels du fait que la chambre de combustion a un volume notablement élevé afin de garantir des performances de stabilité de combustion de rallumage à bas régime. Il a déjà été proposé d'équiper la chambre de combustion d'un turboréacteur avec des têtes de ralenti et des têtes de décollage décalées axialement et radialement et débouchant dans une zone commune. Si ce type de chambre donne satisfaction du point de vue de la réduction de la pollution, il comporte cependant quelques inconvénients, comme par exemple son dimensionnement radial lié à la superposition des têtes de ralenti et des têtes de décollage, et le nombre important d'injecteurs, ce qui augmente le coût et la masse. Un autre inconvénient apparaît au niveau de la carte des températures en sortie de chambre lorsque seul la tête de ralenti fonctionne. En effet, la turbine à haute pression peut alors être soumise à des températures avoisinant les 18000K en têtes d'aubes alors que les pieds ne sont qu'à 900K environ. Ceci provoque des pertes de rendement à la turbine. Pour illustrer la technique des chambres de combustion produisant peu d'oxydes d'azote, on citera le document US 4 898 001 dans lequel il est prévu un cône intérieur 13 au niveau des injecteurs de façon à réduire le volume de combustion, le document EP 0 441 542 dans lequel on réduit le volume de combustion par un cône intérieur et on prévoit une zone d'arrivée d'air au niveau de la fin du cône pour le passage rapide d'un mélange riche en un mélange pauvre, ainsi que les documents US 4 944 149 et FR 2 446 443 qui décrivent des chambres tubulaires avec une zone de forte dilution pour une réduction de la pollution. Par ailleurs, parmi les concepts de foyers de combustion conduisant potentiellement à une diminution significative des émissions d'oxydes d'azote, le foyer à combustion riche et dilution rapide dénommé RB-QQ (Rich Burn-Quick Quench) ou encore RQL (Rich Quick Lean) est connu dans le domaine de la combustion. Le but de la présente invention est de proposer une chambre de combustion annulaire de type conventionnelle, c'est-à-dire dans laquelle les injecteurs de carburant sont partis circonférentiellement à égale distance de l'axe de la turbomachine, qui permette de réduire la production des oxydes d'azote, de conserver une température homogène des gaz à l'entrée des turbines, quel que soit le régime et en conservant à ladite chambre un dimensionnement radial et axial raisonnable. L'invention concerne donc une chambre de combustion annulaire pour une turbomachine, notamment pour un turboréacteur d'aviation, comportant des parois axiales réunies par un fond de chambre et une extrémité aval ouverte pour l'écoulement des gaz, ledit fond de chambre possédant une pluralité d'orifices pour le montage des injecteurs de carburant disposés circonférentiellement dans le même plan. Selon l'invention, la chambre de combustion est caractérisée en ce que lesdits injecteurs de carburant sont répartis en un premier groupe d'injecteurs dits "pilote" fournissant chacun du carburant à une tête de ralenti, et en un deuxième groupes d'injecteurs dits "plein gaz" fournissant chacun du carburant à une tête de décollage, lesdits injecteurs "plein gaz" alternant avec lesdits injecteurs "pilote", chaque tête de décollage comportant un foyer tubulaire s'étendant depuis ledit fond de chambre dans le volume de ladite chambre et entourant l'injecteur "plein gaz" correspondant, ledit foyer tubulaire étant équipé à son extrémité aval de moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant issu de l'injecteur plein gaz" correspondant. Grâce à cette structure, les injecteurs de carburant sont tous dans le même plan et disposés circonférentiellement. Ceci permet de conserver au fond de chambre une configuration classique. La présence des foyers tubulaires dans le volume interne de la chambre permet de diminuer le volume des modules "plein gaz" et par là même la production des oxydes d'azote par suite de la limitation du temps de séjour des gaz dans le module "plein gaz". Selon une première variante, le foyer est de forme conique et présente une paroi intérieure et une paroi extérieure réunies à leurs extrémités aval et délimitant entre elles un passage d'air annulaire. Les moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant comportant des orifices calibrées prévues dans la paroi intérieure au voisinage de son extrémité aval. Une vrille peut être disposé dans ledit passage d'air. Selon une deuxième variante, le foyer est de forme cylindrique et comporte des moyens de prise d'air à son extrémité amont, ainsi que des canaux hélicoïdaux s'étendant d'amont en aval et destinés à diriger l'air depuis les moyens de prise d'air vers les moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant. La chambre de combustion présente avantageusement un col annulaire au voisinage de l'extrémité aval des foyers tubulaires, qui partage le volume interne de la chambre de combustion en une zone à combustion riche et une zone à dilution rapide. La chambre de combustion est alors constituée d'un groupe de foyers tubulaires à combustion riche et dilution rapide réparties circonférentiellement dans ladite chambre et un groupe de systèmes d'injection pilote alternant avec lesdits foyers tubulaires. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemples et en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue frontale de la chambre de combustion selon l'invention; - la figure 2 est une coupe axiale selon la ligne II-II de la figure 1 d'une tête de ralenti; - la figure 3 est une coupe axiale selon la ligne III-III de la figure1 d'une tête de décollage selon un premier mode de réalisation - la figure 4 est une coupe axiale selon la ligne III-ffi de la figurel d'une tête de décollage selon un deuxième mode de réalisation; - la figure 5 est une vue en perspective du foyer tubulaire de la figure 4; - la figure 6 montre en détail l'extrémité aval d'une tôle utilisée pour la fabrication du foyer tubulaire de la figure 5;; - la figure 7 représente schématiquement une coupe axiale d'un foyer tubulaire de type RQL; et - la figure 8 représente une coupe axiale d'un système pilote dans un foyer de type RQL. La chambre de combustion de turbine à gaz représenté sur les dessins est du type annulaire, délimitée par une paroi annulaire externe 1, une paroi annulaire interne 2, un fond de chambre transversal 3 réunissant lesdites parois 1 et 2. Le fond est percé de plusieurs orifices 4 à l'intérieur de chacun desquels est placé un injecteur de carburant 5. Les injecteurs de carburant 5 sont sensiblement tous à égale distance de l'axe de la chambre de combustion et ils sont régulièrement espacés sur le fond de chambre 3. L'extrémité aval 16 de la chambre de combustion est ouverte pour permettre l'écoulement des gaz. Les injecteurs 5 sont répartis en deux groupes. Les injecteurs 5 du premier groupe, dits injecteurs pilote, fournissent du carburant à des têtes de ralenti 6 adaptées au fonctionnement au régime du ralenti. Les injecteurs 5 du deuxième groupe, dits injecteurs plein gaz ou de décollage, fournissent du carburant à des têtes de décollage 7 adaptées au fonctionnement à pleine charge, correspondant par exemple au décollage d'un avion ou à son déplacement en croisière. Chaque orifice 4 est associé à un dispositif d'admission d'air dans la chambre de combustion 8 qui comprend notamment des vrilles d'admission 9 possédant, de manière connue, la propriété d'entraîner l'air admis autour des injecteurs de carburant 4 sous forme de tourbillons à l'intérieur de la chambre de combustion 8, afin de favoriser la vaporisation du carburant émis, dans la chambre de combustion 8, par l'injecteur de carburant 5, sous forme d'un jet de carburant 10 sensiblement conique. Les têtes de ralenti 6 alternent avec les têtes de décollage 7. Chaque tête de décollage 7 comporte un foyer tubulaire 11 qui entoure l'injecteur plein gaz correspondant 5 et qui s'étend dans le volume interne de la chambre de combustion 8. Ce foyer tubulaire 11 comporte à son extrémité aval 12 des moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant 10. Selon un premier mode de réalisation du foyer tubulaire 11, ce dernier comporte une paroi extérieure 13 et une paroi intérieure 14, réunies à leur extrémité aval 12 et formant un ensemble conique ouvert à son extrémité aval 12 et dont la section va décroissant dans le sens 15 de l'écoulement des gaz. Les lisières amont 18 et 19 des parois 13 et 14 sont liées au fond de chambre 3 par brasage. Les parois 13 et 14 délimitent entre elles un passage d'air annulaire 20 autour de l'injecteur de carburant 5. Cet air sert, d'une part, au refroidissement interne et externe des parois 13 et 14 et, d'autre part, à l'alimentation en air primaire de la tête de décollage 7 à l'extrémité aval 12. A cet effet, la paroi intérieure 14 comporte au voisinage de l'extrémité aval 12 des orifices calibrés 21. Une vrille 22 est avantageusement disposée dans le passage annulaire 20.Des perforations 23 sont ménagées dans les parois 13 et 14 pour la circulation de l'air de refroidissement. Il est à noter que les orifices calibrés 21 insufflent de l'air primaire, pratiquement de façon perpendiculaire, dans le cône de carburant 10 issu de l'injecteur correspondant 5. Ils assurent ainsi une fonction de pilotage de l'ouverture de la nappe de carburant. Le flux d'air qui s'échappe des perforations de la paroi extérieure 13 assure, en plus de sa fonction de refroidissement, l'intercommunication de la flamme entre les injecteurs 5 des têtes de ralenti 6. Selon un deuxième mode de réalisation, le foyer tubulaire 11 est de forme cylindrique. Il peut être réalisé par deux tôles 30 et 31 liées entre elles par brasage. Préalablement à la liaison par brasage, des rainures ont été gravées sur les faces en contact des deux tôles 30 et 31 de façon à former des canaux hélicoïdaux 32. Ces canaux hélicoïdaux 32 sont alimentés en air par des prises d'air 33 prévues en amont de la chambre de combustion au niveau du fond de la chambre 3. Ils débouchent au voisinage de l'extrémité aval 12 dans une cavité annulaire 34 également gravée entre les deux tôles 31 et 32. L'air circulant dans les canaux 32 permet de refroidir le foyer tubulaire 11 puis, après avoir circulé dans la cavité 34, il est dirigé par une pluralité d'orifices calibrés 21 perpendiculairement vers le cône de carburant 12 provenant de l'injecteur 5.Les orifices calibrés 21 jouent également ici la fonction de pilotage de l'ouverture de la nappe de carburant. A la périphérie amont du foyer cylindrique 11, une pluralité d'orifices 35 est disposée de manière convergente à la tôle 31. L'air pénétrant par les orifices 35 vient refroidir, par film, la tôle 31. Selon une disposition avantageuse de l'invention, la chambre de combustion 8 présente un col annulaire 40 immédiatement en aval des foyers tubulaires 11. Le col annulaire 40 partage le volume interne de la chambre de combustion 8 en une zone à combustion riche 41 située du côté des injecteurs 5 et une zone à combustion pauvre 42 située du côté de ltextrémité aval 16, lesdites zones 41 et 42 étant séparées par une zone à dilution rapide 43 au niveau du col annulaire 40. Ce concept de foyer à combustion riche et dilution rapide dit RB-QQ ou RQL est connu dans le domaine de la combustion, et conduit potentiellement à une réduction significative des émissions d'oxydes d'azote.La chambre de combustion 8 de la présente invention comporte ainsi des foyers tubulaires de type RQL 44 imbriqués dans une chambre annulaire conventionnelle, c'est-à dire non étagée radialement, et alternant avec des systèmes d'injection pilote 45. Le col 40 permet de réduire le volume du mélange à combustion rapide à la sortie des foyers tubulaires de type RQL 44 et de limiter l'éclatement brusque à la sortie de ces foyers, tout en assurant des conditions de dilution rapide. Des orifices 46 d'entrée d'air de dilution sont prévus dans les parois 1 et 2 au niveau du col 40. Entre chaque foyer tubulaire RQL 44, les systèmes d'injection pilote 45 permettent d'étager le débit de carburant entre les conditions de ralenti et de plein gaz afin de maîtriser la pollution et le profil de température dans tout le domaine de fonctionnement du turboréacteur, ainsi que le plafond de rallumage et la stabilité de la flamme. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion annulaire comportant des parois axiales (1, 2) réunies par un fond de chambre (3) et une extrémité aval ouverte (16) pour l'écoulement des gaz, ledit fond de chambre (3) possédant une pluralité d'orifices (4) pour le montage d'injecteurs de carburant (5) disposés circonférentiellement dans le même plan, caractérisée en ce que lesdits injecteurs de carburant (5) sont répartis en un premier groupe d'injecteurs dits "pilote" fournissant chacun du carburant à une tête de ralenti (6), et en un deuxième groupes d'injecteurs dits "plein gaz" fournissant chacun du carburant à une tête de décollage (7), lesdits injecteurs "plein gaz" alternant avec lesdits injecteurs "pilote", chaque tête de décollage (7) comportant un foyer tubulaire (11) entourant l'injecteur "plein gaz" (5) correspondant et s'étendant dans le volume interne (8) de ladite chambre combustion, ledit foyer tubulaire (11) étant équipé à son extrêrnite aval (12) de moyens (21, 22) pour insuffler de l'air dans le cône de carburant (10) issu de l'injecteur "plein gaz" (5) correspondant. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit foyer tubulaire (11) est de forme conique et présente une paroi intérieure (14) et une paroi extérieure (13) réunies à leur extrémité aval (12) et délimitant entre elles un passage d'air annulaire (20), et en ce que les moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant (10) comportant des orifices calibrées (21) ménagées dans ladite paroi intérieure (14) au voisinage de son extrémité aval (12). 3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que le foyer tubulaire (11) comporte de plus une vrille (22) dans ledit passage d'air. 4. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite paroi intérieure (14) et ladite paroi extérieure t13) comportent de plus des perforations (23) permettant la circulation d'un air de refroidissement. 5. Chambre de combustion selon la revendication l, caractérisée en ce que le foyer tubulaire (11) est de forme cylindrique et comporte des moyens de prise d'air (33) à sont extrémité amont, ainsi que des canaux hélicoïdaux (32) s'étendant d'amont en aval et destinés à diriger l'air depuis lesdits moyens de prise d'air (33) vers les moyens (21) pour insuffler de l'air dans le cône de carburant (10). 6. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion (8) présente un col annulaire (40) au voisinage de l'extrémité aval (12) des foyers tubulaires (11). 7. Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'il est prévu des orifices (46) d'entrée d'air dans le col (40).