Brevet FR2727192A1 — publié le 19960524

La présente invention concerne l'alimentation en carburant d'une chambre de combustion à deux têtes d'un turboréacteur. Les turboréacteurs d'aviation sont soumis à des régimes variables. Lorsqu'ils équipent en outre des avions militaires, ils doivent émettre le plus faible rayonnement possible, dans le visible et l'infrarouge, afin d'empêcher le repérage de ces avions, à tous les régimes. Il y a donc lieu de réduire au maximum les émissions de fumées dues aux particules de carbone et les fumées rousses produites par les oxydes d'azote. Ces particules de suie et ces fumées rousses sont principalement produites aux régimes élevés. Les chambres de combustion à deux têtes permettent de résoudre le problème de la pollution aux régimes élevés, car la tête dite de décollage est optimisée pour le régime plein gaz, et il alimente la chambre de combustion en un mélange air-carburant suffisamment pauvre, afin de réduire la production de s5 fumées et la formations de quantités importantes d'oxyde d'azote. Aux bas régimes, seule la tête pilote alimente la zone primaire de la chambre de combustion avec un mélange air carburant riche afin d'assurer la stabilité de la flamme. Cette richesse du mélange peut entraîner une production importante de fumées aux bas régimes. D'autre part, du fait que la tête de décollage de la tête sont décalées radialement par rapport à l'axe du turboréacteur, le profil des températures à l'entrée de la turbine haute pression n'est pas homogène aux bas régimes. Enfin, du fait que la tête de décollage n'est alimentée en carburant qu'à partir de 25% de la poussée nominale au sol, le richesse dans la zone primaire de la chambre de combustion subit une chute notable au voisinage de taux de poussée. Il est déjà connu d'équiper des chambres de combustion traditionnelles à une seule tête avec des injecteurs doubles comportant deux modules coaxiaux alimentant des zones séparées de la chambre de combustion au moyen de circuits de carburant séparés et de circuits d'air séparés. Cet état de la technique est illustré notamment par GB-A-2 214 630 qui décrit un injecteur double ayant deux alimentations de carburant séparés une alimentation principale associée à un premier swirler axial pour alimenter un module central, et une alimentation secondaire associée à un deuxième swirler axial pour alimenter une zone annulairee 106 par l'intermédiaire de canaux ménagés dans les aubes du premier swirler. Le module central fonctionne dès les bas réimes et le module annulaire fonctionne uniquement aux régimes élevés. FR-A-2 421 342 décrit également un injecteur à deux modules dans lequel le module central est prévu pour ne fonctionner qu'aux régimes élevés. GB-A-2 214 630 et FR-A-2 421 342 ne mentionnent pas que ces injecteurs à deux modules puissent équiper une tête de décollage d'une chambre à deux têtes. Le but de la présente invention est de proposer un procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion à deux têtes qui permette d'optimiser le fonctionnement de cette chambre à tous les régimes. L'invention concerne donc un procédé pour alimenter en carburant une chambre de combustion à deux têtes d'un turboréacteur, ladite chambre comportant une tête pilote équipée d'une pluralité d'injecteurs de ralenti et une tête de décollage radialement distante de la tête pilote et équipée d'une pluralité d'injecteurs de décollage comprenant un premier circuit de carburant, procédé selon lequel on alimente ladite chambre de combustion en carburant par l'intermédiaire des injecteurs de ralenti dès les bas régimes et on alimente en outre ladite chambre de combustion en carburant aux régimes élevés par l'intermédiaire desdits premiers circuits de carburant. Ce procédé est caractérisé par le fait qu'on équipe ladite tête de décollage avec des injecteurs de décollage comportant un deuxième circuit de carburant séparé du premier circuit de carburant et par le fait qu'on alimente ladite chambre de combustion en carburant par l'intermédiaire desdits deuxièmes circuits de carburant dès les bas régimes. Avantageusement, on règle la richesse dans la zone primaire de la chambre de combustion aux bas régimes à une valeur au moins égale à 80 % du taux stocchiométrique. On règle le débit de carburant fourni par le deuxième circuit de carburant à une valeur comprise entre 40 % et 50 % du débit total Wf de carburant fourni par ledit deuxième circuit de carburant et la tête pilote. On alimente le premier circuit de carburant à partir de 20 % de la poussée nominale au sol. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe axiale d'une chambre de combustion traditionnelle à deux têtes d'un turboréacteur; la figure 2 montre les courbes représentatives de la richesse dans les zones primaires d'une chambre de combustion traditionnelle à deux têtes en fonction de la poussée nominale au sol F00; la figure 3 montre les courbes représentatives de la richesse dans les zone primaires d'une chambre de combustion à deux têtes en fonction de la poussée nominale au sol F00, cette chambre étant alimentée en carburant selon le procédé de l'invention; la figure 4 représente un injecteur de carburant à deux modules équipant la tête de décollage d'une chambre de combustion à deux têtes selon la présente invention; la figure 5 est une coupe selon la ligne VV de la figure 4; la figure 6 est une coupe d'une chambre de combustion à deux têtes équipée de l'injecteur de carburant à deux modules de la figure 4. Sur la figure 1 on a représenté par la référence 10, une chambre de combustion traditionnelle à deux têtes, alimentée en air par un diffuseur 11 disposé en aval d'un compresseur non représenté. Cette chambre de combustion , de forme annulaire et d'axe 12, est délimitée par une paroi intérieure 13, une paroi extérieure 14 et un fond de chambre 15 reliant les extrémités amont de la paroi intérieure 13 et de la paroi extérieure 14. Un passage 16 est prévu entre les extrémités aval des parois 13 et 14 pour l'écoulement des gaz chauds vers une turbine non représentée. La chambre 10 est disposée entre un carter intérieur 17 et un carter extérieur 18. Ces carters 17 et 18 sont reliés au diffuseur 11, et définissent avec les parois 13 et 14 des passages annulaires 19 et 20 pour l'écoulement d'un air primaire P qui alimente la chambre 10 par des orifices 21 ménagés dans les parois 13 et 14, et pour l'écoulement d'un air de refroidissement des parois 13 et 14. Le fond de chambre 15 est équipé d'une pluralité d'injecteurs de décollage 22 et d'une pluralité d'injecteurs de ralenti 23 radialement distants des injecteurs de décollage 22. Une plaque séparatrice 24, dirigée vers le passage 16, est montée sur le fond de chambre 15 entre les injecteurs de décollage 22 et les injecteurs de ralenti 23. Cette plaque 24 sépare la zone amont de la chambre de combustion 10 en une première zone primaire de combustion alimentée par les injecteurs de décollage 22, dite "tête de décollage" 25, et en une deuxième zone primaire de combustion alimentée par les injecteurs de ralenti 23 et dite "tête pilote" 26. Les injecteurs 22 et 23 sont alimentés en carburant par des circuits séparés 27 et 28 et sont associés respectivement à des groupes d'aubes tourbillonnaires 29 et 30 alimentés en air par le diffuseur 11, cet air étant destiné à la vaporisation du carburant. Dans les chambres de combustion actuelles à deux têtes, les injecteurs de ralenti 23 fonctionnent dès les bas régimes et les injecteurs de décollage 22 ne sont alimentés qu'au delà de 25 % de la poussée nominale au sol F00. La courbe C1 représentée sur la figure 2 représente la richesse R dans la zone primaire au voisinage de la tête pilote 26, en fonction de la poussée nominale F00 au sol. La courbe C2 représente la richesse R dans la zone primaire au voisinage de la tête décollage 25, et la courbe C3 la richesse minimum qui correspond à la limite inférieure de fonctionnement. On constate que la courbe C1 présente un décrochement prononcé à 25 % de la poussée nominale F00, valeur à laquelle la tête de décollage est alimentée en carburant. En decçà de 25 % de la poussée nominale F 00, la richesse dans la zone primaire est supérieure à 100 % du taux stoechiométrique carburant/air, ce qui assure une bonne stabilité de la flamme, mais entraîne en revanche une production de fumées. Au delà de 25 % de la poussée nominale FOO0, la richesse dans la zone primaire est supérieure à 0,7 et inférieure à 1. Selon l'invention, la tête de décollage 25 de la chambre de combustion décrite ci-dessus est équipée d'injecteurs de décollage 40 munis de deux circuits séparés de carburant. Chaque injecteur de décollage 40 comporte un corps injecteur 41 dans lequel sont prévus un premier circuit de carburant 42 destiné à alimenter la tête de décollage 25 aux régimes élevés et un deuxième circuit de carburant 43 destiné à alimenter la tête de décollage dès les bas régimes. Une vrille axiale 44 est disposée autour de l'extrémité aval du corps injecteur 41. La vrille axiale 44 est montée à l'intérieur d'un manchon 45 qui se prolonge en amont par un flasque radial 46 et en aval par une paroi tronconique 47 évasée vers l'extérieur. Une vrille radiale 48 est montée en aval du flasque radial 46 et en amont d'un bol 49 fixé sur le fond de chambre 15. Le deuxième circuit de carburant 43 traverse chacune des ailettes 50 de la vrille axiale 44 et débouche dans l'espace 51 annulaire délimité par le manchon 45 et le bol 49 par des orifices 52 ménagés dans le manchon 45. Le manchon 45 et la paroi tronconique 47 partagent la tête de décollage 25 en deux modules. Le module axial est alimenté en carburant par le premier circuit de carburant 42 et en air par la vrille axiale 44. Le deuxième module est alimenté en carburant par le deuxième circuit de carburant 43 et en air par la vrille radiale 48. Les passages des vrilles 44 et 48 peuvent être dimensionnés pour passer plus ou moins d'air. Le module recevant le plus d'air peut être indifféremment le module axial ou le deuxième module. Les injecteurs de ralenti 23 et le deuxième circuit de carburant 43 sont alimentés ensemble dès les bas régimes de telle manière que la richesse de la zone primaire soit au moins égale à 80 % du taux stoechiométrique, afin d'assurer la stabilité de la flamme et éviter les fumées. La répartition du carburant, aux bas régimes, entre le deuxième circuit de carburant 43 et les injecteurs de ralenti 23 de la tête pilote est telle que le deuxième circuit de carburant 43 reçoit entre 40 % et 50 % du débit total. A partir de 20 % de la poussée nominale au sol, les deux circuits de carburant 42 et 43 des injecteurs de décollage 40 sont alimentés simultanément et ce jusqu'au plein gaz. La figure 3 montre les courbes représentatives C1 et C2 de la richesse des zones primaires d'une chambre de combustion à deux têtes alimentée en carburant selon le procédé décrit ci-dessus. Comme on le voit, les richesses de la tête pilote et de la tête de décollage sont inférieures à 100 % du taux stoechiométrique à bas régime. Cette richesse est voisine de 1 au régime correspondant à environ 20 % de la poussée nominale au sol F00, puis décroît vers 0,7 à 0,8 aux environs de 30 % de la poussée nominale au sol pour augmenter ensuite régulièrement jusqu'au plein gaz. Le fait d'alimenter les deux têtes dès les bas régimes permet une meilleure homogénéisation de la nappe de carburant. Aux faibles régimes, le profil des températures obtenu est plus favorable à la durée de vie de la turbine à haute pression. REVENDICATIONS 1. Procédé pour alimenter en carburant une chambre de combustion (10) à deux têtes d'un turboréacteur, ladite chambre comportant une tête pilote (26) équipée d'une pluralité d'injecteurs de ralenti (23) et une tête de décollage (25) radialement distante de la tête pilote et équipée d'une pluralité d'injecteurs de décollage (22) comprenant un premier circuit de carburant (42), procédé selon lequel on alimente ladite chambre de combustion (10) en carburant par l'intermédiaire des injecteurs de ralenti (23)dès les bas régimes et on alimente en outre ladite chambre de combustion (10) en carburant aux régimes élevés par l'intermédiaire desdits premiers circuits de carburant (42), caractérisé par le fait qu'on équipe ladite tête de décollage (25) avec des injecteurs de décollage (40)comportant un deuxième circuit de carburant (43) séparé du premier circuit (42) de carburant et par le fait qu'on alimente ladite chambre de combustion (10) en carburant par l'intermédiaire desdits deuxièmes circuits de carburant (43) dès les bas régimes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on règle la richesse dans la zone primaire de la chambre de combustion (10) aux bas régimes à une valeur au moins égale à 80 % du taux stocchiométrique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on règle le débit de carburant fourni par le deuxième circuit de carburant (43) à une valeur comprise entre 40 % et 50 % du débit total Wf de carburant fourni par ledit deuxième circuit de carburant (43) et la tête pilote (26). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on alimente le premier circuit de carburant (42) à partirde 20 % de la poussée nominale F00 au sol.