Brevet FR2832493A1 — publié le 20030523

course de ladite seconde soupape de dosage de combustible. Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des systèmes d'injection de cardurant dans une chambre de combustion d'un moteur de turbine à gaz. Elle vise plus particulièrement un système d'injection comportant notamment un injecteur de carburant aérodynamique à alimentation multi-points en carburant. De façon connue, la chambre de combustion d'un moteur de turbine à gaz est pourvue de plusieurs systèmes d'injection lui permettant d'être alimentée en carburant et en air à tous les régimes de fonctionnement du moteur. Les systèmes d'injection comportent notamment des injecteurs de carburant et des moyens d'admission d'air en aval des injecteurs. Il existe deux catégories principales d'injecteurs de carburant: les injecteurs dits appartenant à cette dernière catégorie. Les moyens d'admission d'air connus de l'art antérieur comportent en général des vrilles primaire et secondaire qui délivrent un flux d'air tourbillonnant à la sortie de l'injecteur de cardurant. Un venturi séparant ces deux vrilles permet d'accélérer 1'écoulement d'air issu de la vrille primaire et un bol monté en aval de la vrille secondaire permet le montage de l'injecteur sur le fond de chambre de combustion tout en visant à empécher une remontée de la flamme de combustion du mélange air/cardurant vers l'injecteur. Ce type de système d'injection présente des inconvénients. En pa rticu lier, le mélange air/ca rdu ra nt délivré en sortie d 'i nJecteu r n 'est généralement pas homogène, augmentant ainsi les émissions polluantes du moteur. La vitesse d'écoulement du carburant en sortie d'injecteur est en outre insuffisante, notamment pour les faibles débits, ce qui entrane des risques de cokéfaction au niveau du nez de l'inJecteur et engendre une hétérogénéité du mélange air/carburant. Une faible vitesse d'écoulement du carburant a également pour inconvénient d'augmenter les risques d'une remontée de la flamme de combustion du mélange air/carburant jusqu'à l'extrémité de l'injecteur ce qui est préjudiciable au bon fonctionnement de la turbine à gaz. De plus, lors d'allumages répétés sur ce type de système d'injection, on constate que des traces de cokéfaction apparaissent entre le corps de l'injecteur et le bol. Objet et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un système d'injection dont l'injecteur de carburant permet d'obtenir une meilleure homogénélsation du mélange air/carburant et une plus grande vitesse d'écoulement du carburant à sa sortie. A cet effet, il est prévu un système d'inje*ion d'un mélange air/carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant un injecteur comportant un volume interne axial qui s'ouvre à une extrémité par une sortie axiale pour le mélange air/carburant; un premier étage d'alimentation en carburant avec une pluralité de premiers orifices d'alimentation en carburant qui s'ouvrent dans le volume interne, sont répartis autour d'un axe de l'injecteur et sont reliés par des canaux d'alimentation en carburant à au moins une entrée de carburant dans l'injecteur; et au moins un canal d'alimentation en air qui s'ouvre dans le volume interne et est relié à une entrée d'air dans l'injecteur, caractérisé en ce que l'injecteur comporte en outre au moins un deuxième étage d'alimentation en carburant, décalé axialement par rapport au premier, avec une pluralité de deuxièmes orifices d'alimentation en carburant qui s'ouvrent dans le volume interne, sont répartis autour de l'axe de l'injecteur, et sont reliés par des canaux d'alimentation en carburant à l'entrée de carburant dans l'injecteur. De la sorte, le deuxième étage d'alimentation en cardurant permet de multiplier le nombre de points d'alimentation en carburant dans le volume interne de l'injecteur autour de l'axe de celui-ci. L'homogénéisation du mélange air/carburant s'en trouve donc améliorée. Les premiers et deuxièmes orifices d'alimentation en carburant, d'une part, et le ou les canaux d'alimentation en air, d'autre part, s'ouvrent dans deux passages coaxiaux formés dans le volume interne. Selon une disposition avantageuse de l'invention, le passage dans lequel s'ouvrent les orifices d'alimentation en carburant présente une diminution de section dans le sens d'écoulement du carburant. Cette caractéristique permet d'augmenter la vitesse d'écoulement du carburant pour améliorer la tenue de 1'injecteur à la cokéfaction, et de rendre la nappe de carburant plus homogène, notamment pour les faibles débits de carburant. Selon une autre disposition avantageuse de l'invention, les deuxièmes orifices d'alimentation en carburant ont des positions angulaires autour de l'axe de l'injecteur décalées par rapport à celles des premiers orifices d'alimentation en carburant ce qui favorise la répartition du carburant autour de l'axe de l'injecteur et donc l'homogénéité du mélange air/carburant. Selon encore une autre disposition avantageuse de l'invention, les canaux d'alimentation en carburant sont orientés, dans leurs parties terminales adjacentes aux premiers et deuxièmes orifices d'alimentation en carburant, sensiblement tangentiellement par rapport à la paroi du volume interne. Cette caractéristique permet d'obtenir une mise en rotation du carburant dans le volume interne et améliore ainsi la vitesse d'écoulement et l'homogénéité du mélange air/carburant. De préférence, I'injecteur comporte une partie arrière dans laquelle sont formés le ou les canaux d'alimentation en air, au moins une bague dans laquelle sont formés les premier et deuxième étages d'alimentation en carburant et qui est introduite dans un logement formé à l'extrémité aval de la partie arrière, et une partie avant qui se raccorde à la pa rtie arrière, la bague étant i m mobi lisée axialement entre la pa rtie arrière et la partie avant de l'inje*eur. Selon encore une caractéristique avantageuse de l'invention, chaque étage d 'al i mentation en carbu rant com prend quatre orifices d'alimentation en carburant répartis de fason répulière autour de 1'axe de I'injecteur. Le système selon l'invention comporte en outre une douille entourant au moins une partie de l'injecteur, un bol formant divergent pour le montage du système d'injection sur un fond de chambre de combustion, au moins une vrille d'air interposée entre la douille et le bol, et un venturi formé entre la partie de l'injecteur entourée par la douille et le bol. De préférence, un passage pour de l'air est aménagé entre la douille et la partie de l'injecteur entourée par la douille afin d'empêcher que de la coke se forme au niveau du nez de l'injecteur, et des trous de passage d'air sont formés dans la paroi du bol formant divergent. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures: - la figure est vue en coupe du système d'injection selon l'invention monté dans une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réa lisation du nez de l 'i nJecteu r de ca rbu rant équ i pant le système d'injection selon l'invention; - les figures 3, 4 et 5 sont des vues en coupe de ia figure 2 respectivement selon III-III, IV-IV et V-V; - la figure 6 est une vue en coupe selon VI- VI de la figure 3; - la figure 7 est une vue en perspective et en éclaté du nez de l'injecteur de la figure 2; et - la figure 8 représente schématiquement un exemple de répartition des différents passages alimentant en air le système d'injection de la figure l. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure illustre un système d'injection 2 selon l'invention monté dans une chambre de combustion 4 d'un moteur à turbine à gaz utilisé dans un turboréacteur par exemple. La chambre de combustion 4, par exemple du type annulaire, est délimitée par des parois interne et externe (non représentées sur le dessin) réunies par un fond de chambre 6. Ce dernier comporte une pluralité d'ouvertures 6a d'axe 8 régulièrement espacées autour de l'axe du moteur. Dans chacune des ouvertures 6a est monté un système d'injection 2 selon l'invention destiné à injecter un mélange air/carburant dans la chambre de combustion 4. Les gaz issus de la combustion de ce mélange air/carburant s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion 4 et sont ensuite évacués vers une turbine haute-pression (non représentée). De façon connue en soi, un défle*eur annulaire 10 est monté dans chacune des ouvertures 6a. Ce déflecteur est disposé dans la chambre de combustion 4 parallèlement au fond de chambre 6. Un bol 20 formant divergent est également monté à l'intérieur de l'ouverture 6a. Il comporte une paroi 21 évasée vers l'aval dans le prolongement d'une paroi cylindrique 22 disposée coaxialement à l'axe 8 de l'ouverture 6a. A son extrémité aval, la paroi 21 du bol présente un rebord 23 qui, avec une paroi en regard 24, délimite un renfoncement annulaire ou collerette de bol à section en U. La paroi cylindrique 22 du bol 20 entoure un venturi 30 d'axe 8. Le venturi 30 délimite les écoulements d'air issus d'une vrille primaire 32 et d'une vrille secondaire 34. La vrille primaire 32 est disposée en amont du venturi 30 et délivre un flux d'air à l'intérieur du venturi. La vrille secondaire 34 est disposée en amont de la paroi cylindrique 22 du bol 20 et délivre un flux d'air entre le venturi 30 et la paroi cylindrique 22. La vrille primaire 32 est solidaire en amont d'une pièce de retenue 40 qui présente une rainure annulaire 42 ouverte du côté de l'axe 8 de l'ouverture 6a et dans laquelle est montée une douille 44 entourant au moins une partie de l'extrémité ou nez d'un injecteur de carburant 50. Le système d'injection peut en outre être muni d'un carénage typiquement formé d'une casquette 46. Ce carénage permet de minimiser les pertes de charge de l'air de contournement de l'injecteur et de garantir une bonne alimentation du fond de chambre. L'injecteur de carburant 50, d'axe X-X confondu avec l'axe 8 de l'ouverture 6a, est de type aérodynamique, c'est à dire qu'il ne délivre qu'un seul débit de carburant quel que soit le régime de fonctionnement du moteur. L'injecteur est typiquement formé d'une partie tubulaire 52 alimentant en carburant un nez d'injecteur 54, au niveau duquel le carburant se mélange avec de l'air avant de recevoir I'air des vrilles primaire et secondaire et d'être injecté dans la chambre de combustion 4. On se réfère aux figures 2 à 6 qui illustrent plus particulièrement un mode de réalisation du nez d'injecteur de carburant du système d'injection selon l'invention. Le nez d'injecteur 54 comporte un volume interne axial 56 qui s'ouvre à une extrémité par une sortie axiale 58 pour le mélange air/carburant. A l'extrémité du nez opposce à celle comportant la sortie axiale 58, est aménagée au moins une entrée de carburant 60 se présentant sous la forme d'un évidement cylindrique par exemple. Cette entrée 60 est alimentée en carburant par la partie tubulaire de l'injecteur de carburant. Des canaux d'alimentation en carburant 62 débouchent dans I'entrée de carburant 60 et sont reliés à une pluralité de premiers orifices d'alimentation en carburant 64 formant un premier étage d'alimentation en carburant. Ces premiers orifices sont répartis autour de l'axe X-X de l'injecteur et s'ouvrent dans le volume interne 56. Au moins un canal d'alimentation en air 66 relié à une entrée d'air 68 dans l'injecteur s'ouvre également dans le volume interne 56. Conformément à l'invention, I'inJecteur de carburant 50 comporte, au niveau de son nez 54, au moins un deuxième étage d'alimentation en carburant, décalé axialement par rapport au premier, avec une pluralité de deuxièmes orifices d'alimentation en carburant 70 qui s'ouvrent dans le volume interne 56. Ces deuxièmes orifices sont répartis autour de l'axe X-X de l'injecteur et reliés par des canaux d'alimentation en carJurant 72 à l'entrée de carburant 60 dans l'injecteur. Comme l'illustre la figure 3, chaque étage d'alimentation en carburant comprend avantageusement quatre orifices d'alimentation en carburant 64, 70 reliés aux canaux d'alimentation en carburant 62, 72 et répartis de façon réqulière autour de l'axe X-X de l'injecteur. Les canaux d'alimentation 62, 72 sont de préférence disposés en alternance avec quatre canaux d'alimentation en air 66. Par ailleurs, les premiers 64 et deuxièmes 70 orifices d'alimentation en carburant, d'une part, et le ou les canaux d'alimentation en air 66, d'autre part, s'ouvrent dans deux passages coaxiaux, respectivement 74 et 76, formés dans le volume interne 56. Plus précisément, les canaux d'alimentation en air 66 s'ouvrent dans un passage central 76, et les premiers et deuxièmes orifices d'alimentation en carburant s'ouvrent dans un passage annulaire 74 entourant le passage central 76. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le passage annulaire 74 dans lequel s'ouvrent les orifices d'alimentation en carburant présente une diminution de section 74a dans le sens d'écoulement du carburant afin de former un convergent permettant l'accélération du carburant à sa sortie de ce passage annulaire. De plus, les deuxièmes orifices d'alimentation en carburant 70 ont de préférence des positions angulaires autour de l'axe X-X de l'inje*eur décalées par rapport à celles des premiers orifices d'alimentation en carburant 64. De la sorte, la répartition du carburant autour de l'axe de l'injecteur et donc l'homogénéité du mélange air/carburant se trouvent améliorées. Les canaux d'alimentation en carburant 62, 72 comportent chacun une première partie, respectivement 62a et 72a, s'étendant parallèlement à l'axe X-X de l'inje*eur et raccordée à l'entrée de carburant 60 dans l'injecteur, et une deuxième partie, respectivement 62b et 72b, qui raccorde la première partie à un orifice 64, 70 d'alimentation en carburant. Sur la figure 2, on remarque que les premières parties 62a, 72a des canaux d'alimentation en carburant 62, 72 sont avantageusement au moins en partie confondues. Comme illustré par les figures 4 et 5, dans leurs parties terminales adjacentes aux premiers 64 et deuxièmes 70 orifices d'alimentation en carburant, ces canaux d'alimentation en carburant sont orientés sensiblement tangentiellement par rapport à la paroi du volume interne 56. Ainsi, le carburant s'écoulant dans ces canaux est mis en rotation avant son introduction dans le volume interne ce qui permet d'augmenter sa vitesse d'écoulement et donc de favoriser l'homogénéité du mélange air/carburant. La disposition du ou des canaux d'alimentation en air 66 est notamment illustrée par les figures 3 et 6. Ces canaux débouchent dans le volume interne 56 dans une direction qui est sensiblement tangentielle par rapport à la paroi du volume interne et qui est inclinée vers l'aval par rapport à un plan normal à l'axe X-X de l'injecteur. Cette disposition particulière améliore également l'homogénéité et la vitesse d'écoulement du mélange air/carburant. On décrira maintenant les éléments constitutifs du nez d'injecteur cidessus détaillé en se référant à la figure 7 qui illustre schématiquement en perspective et en éclaté le nez 54 de 1'injecteur de carburant 50. Sur cette figure, on voit que - le nez d'injecteur est essentiellement formé de trois parties: une partie arrière 78 dans laquelle sont formés le ou les canaux d'alimentation en air 66, au moins une bague 80 dans laquelle sont formés les premier et deuxième étages d'al i mentation en carbu rant et qui est i ntroduite da ns u n logement 82 formé à l'extrémité aval de la partie arrière, et une partie avant 84 qui se raccorde à la partie arrière, la bague étant immobilisée axialement entre la partie arrière et la partie avant. Dans le mode de réalisation illustré par les figures 2 à 7, le nez de l'injecteur comporte, au niveau de la bague 80, deux étages d'alimentation en carburant. Bien entendu, on peut imaginer que le nez de l'injecteur, et plus particulièrement la bague 80, comporte plus de deux étages d'alimentation en carburant de fason à multiplier davantage le nombre de points d'alimentation en carburant dans le volume interne de l'injecteur. Dans ce cas, les étages supplémentaires seront décalés axialement les uns par rapport aux autres afin d'accro^tre l'homogénéité du mélange air/carburant. D'autres caractéristiques avantageuses du système d'inJection selon 1'invention sont représentées sur la figure l. Sur cette figure, on constate qu'au moins un passage pour l'air est aménagé entre la douille 44 et la partie de nez entourée par celle-ci. Ce passage permet de réaliser une purge anti-cokéfaction, c'est à dire qu'il empêche que du carburant ne vienne se cokéfier au niveau du nez de l'injecteur, notamment aux faibles débits de carburant. Ce passage pour l'air peut par exemple être réalisé sous la forme d'une pluralité d'orifices 48 régulièrement répartis autour du nez et déLouchant au voisinage de la sortie axiale 58 de celui-ci dans une direction sensiblement parallèle à l'axe X-X de l'injecteur 50. Afin d'accélérer l'écoulement de l'air traversant ces orifices 48, il peut être prévu une diminution de section de ce passage dans le sens d'écoulement de l'air. En outre, des trous 25 de passage d'air sont formés dans la paroi 21 du bol 20 afin de réaliser une purge anti-cokéfaction au niveau du bol. Ces trous 25 déLouchent dans la chambre de combustion dans une direction qui peut présenter une inclinaison par rapport à l'axe X-X et être tangentielle par rapport à la paroi évasée 21 du bol afin d'éviter tout risque de cokéfaction. De même, des trous 26 de passage d'air sont formés dans la paroi en regard 24 de la collerette de bol afin d'alimenter celle-ci, et plus particulièrement le déflecteur annulaire 10, en air. Ces trous 26 débouchent par exemple de façon sensiblement parallèle à l'axe X-X de l'injecteur de sorte que l'air les traversant vient frapper le redord 23 de la paroi 21 du bol et s'écoule le long du déflecteur annulaire 10. Les trous 25, 26 et orifices 48 de passage d'air des différents éléments du système d'injection, ainsi que des fentes d'air 36, 38 respectivement pour les vrilles primaire 32 et secondaire 34 peuvent être répartis selon N se*eurs angulaires de 360/N chacun. Plus précisément, pour chaque secteur angulaire, le bol 20 peut par exemple comporter n trous 25 de passage d'air de formes identiques entre eux (par exemple circulaires, elliptiques,...) et débouchant parallèlement les uns aux autres. Ce même principe peut être adopté pour les autres trous et fentes de passage d'air. A titre d'exemple, la figure 7 illustre schématiquement, dans un plan P perpendiculaire à l'axe X-X, un exemple de répartition de ces différents passages d'air. Sur cette figure, seuis sont représentés les passages d'air d'un secteur angulaire de 60 ; ils comprennent: trois orifices 48 aménagés entre la douille 44 et la partie de nez entourée par celle-ci, deux fentes d'air 36 pour la vrille primaire, trois fentes d'air 38 pour la vrille secondaire, quatre trous 25 de passage d'air formés dans la paroi 21 du bol, et huit trous 26 de passage d'air formés dans la paroi en regard 24 de la collerette de bol. La répartition de ces différents passages d'air est régulière autour de l'axe X-X. Ils peuvent être réalisés directement en fonderie. REVENDICATIONS 1. Système d'inje*ion (2) d'un mélange air/carburant dans une chambre de combustion (4) de turbomachine, comprenant un inje*eur (50) comportant: un volume interne axial (56) qui s'ouvre à une extrémité par une sortie axiale (58) pour le mélange air/carburant; un premier étage d'alimentation en carburant avec une pluralité de premiers orifices d'alimentation en carburant (64) qui s'ouvrent dans le volume interne, sont répartis autour d'un axe (X-X) de l'inJe*eur et sont reliés par des canaux d'alimentation en carburant (62) à au moins une entrée de cardurant (60) dans l'inje*eur; et au moins un canal d'alimentation en air (66) qui s'ouvre dans le volume interne et est relié à une entrée d'air (68) dans l'inje*eur, caractérisé en ce que l'inje*eur comporte en outre au moins un deuxième étage d'alimentation en carburant, décalé axialement par rapport au premier, avec une pluralité de deuxièmes orifices d'alimentation en carburant (70) qui s'ouvrent dans le volume interne, sont répartis autour de l'axe de l'inje*eur, et sont reliés par des canaux d 'al i mentation en carbu rant (72) à l'entrée de ca rbu ra nt da ns l'i njecteu r. 2. Système selon la revendication 1, cara*érisé en ce que les premiers et deuxièmes orifices d'alimentation en carburant (64, 70), d'une part, et le ou les canaux d'alimentation en air (66), d'autre part, s'ouvrent dans deux passages coaxiaux (74, 76) formés dans le volume interne. 3. Système selon la revendication 2, cara*érisé en ce que le passage (74) dans lequel s'ouvrent les orifices d'alimentation en carburant (64, 70) présente une diminution de se*ion dans le sens d'écoulement du carburant afin d'accélérer l'écoulement du carburant dans le volume interne. 4. Système selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le ou les canaux d'alimentation en air (66) s'ouvrent dans un passage central (76) et les orifices d'alimentation en carburant (64, 70) s'ouvrent dans un passage annulaire (74) entourant le passage central. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deuxièmes orifices d'alimentation en carburant (70) ont des positions angulaires autour de l'axe de I'injecteur décalées par rapport à celles des premiers orifices d'alimentation en carburant (64). 6. Système selon l'une queiconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans leurs parties terminales adjacentes aux premiers (64) et deuxièmes (70) orifices d'alimentation en carburant, les canaux d'alimentation en cardurant (62, 72) sont orientés sensiblement tangentiellement par rapport à la paroi du volume interne (56). 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux d'alimentation en carburant (62, 72) comportent une première partie (62a, 72a) s'étendant parallèlement à l'axe de l'injecteur et raccordée à l'entrée de carburant dans l'injecteur, et une deuxième partie (62b, 72b) qui raccorde la première partie à un orifice d'alimentation en carburant (64, 70). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la prem ière partie (62a) des canaux d 'al i mentation en ca rbu rant (62) reliés aux premiers orifices d'alimentation en carburant (64) et la première partie (72a) des canaux d'alimentation en carburant (72) reliés aux deuxièmes orifices d'alimentation en carburant (70) sont au moins en partie confondues. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les canaux d'alimentation en air (66) débouchent dans le volume interne (56) dans une direction qui est sensiblement tangentielle par rapport à la paroi du volume interne et qui est inclinée vers l'aval par rapport à un plan normal à l'axe (X-X) de l'injecteur. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur comporte: une partie arrière (78) dans laquelle sont formés le ou les canaux d'alimentation en air (66), au moins une bague (80) dans laquelle sont formés les premier et deuxième étages d'alimentation en carburant et qui est introduite dans un logement (82) formé à l'extrémité aval de la partie arrière, et une partie avant (84) qui se raccorde à la partie arrière, la bag ue étant i m mobi l isée axialement entre la pa rtie a rrière et la partie avant de l'injecteur. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, cara*érisé en ce que chaque étage d'alimentation en cardurant comprend quatre orifices d'alimentation en cardurant (64, 70) répartis de fason réqulière autour de l'axe (X-X) de l'injecteur. 12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une douille (44) entourant au moins une partie de l'inJecteur (50), un bol (20) formant divergent pour le montage du système d'injection sur un fond de chambre de combustion (6), et au moins une vrille d'air (32, 34) interposée entre la douille et le bol. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'au moins un passage (48) pour de l'air est aménagé entre la douille (44) et la partie de l'injecteur entourée par ladite douille. 14. Système selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'un venturi (30) est formé entre la partie de l'injecteur entourée par la douille et le bol (20). 15. Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte deux vrilles d'air primaire (32) et secondaire (34). 16. SystAme salon [une quelconque des revendicadons 12 15, caracrlsA en ce que des pious de passage pair (25) sont Karmas dans b paroi (21) du bol Dormant divergent. 17. SystAme sewn [une quelconque des revendlcadons 12 16, caractArbd en ce qua son em avaL ie bol (20) presents un rebord (23) quL avec une paroi en regard (24), d6Hmite an renouncement annulre section en U des pious de passage dear (26) sont karmas