Brevet FR2836986A1 — publié le 20030912

['ensemble peut etre recouvert d'un plan de recouvrement (5), par exemple du verre. Arriere-plan de ['invention La presente invention se rapporte au domaine general des systemes d'injection de carburant dans une chambre de combustion d'un moteur 3 turbine 3 gaz. Wile vise plus particulierement un systeme d'injection d'un melange air/carburant muni d'une injection de carburant multi-points permettant de definir au moins deux modes independents d'injection du melange air/carburant selon des regimes predetermines de fonctionnement du moteur. Dans une chambre de combustion classique diun moteur 3 turbine 3 gaz, I'injection de carburant s'effectue, pour chaque systeme d'injection, de fason mono-point par 1'intermediaire d'un injecteur de carburant. Deux vrilles d'air centrees sur l'injecteur de carburant delivrent chacune un flux d'air radial en aval de ['injection de carburant afin de realiser le melange air/carburant destine 3 etre injecte puis brule dans la chambre de combustion. Les ecoulements d'air issus des deux vrilles vent generalement delimites par un venturi interpose entre ces vrilles et un bol monte en aval de celles-ci accelere l'ecoulement du melange air/carburant vers la chambre de combustion. Le melange air/carburant obtenu par de tels systemes dtinjection doit etre optimal pour permettre l'allumage de la chambre de combustion, assurer une stabilite de la combustion, notamment aux faibles regimes de fonctionnement du moteur, et limiter les emissions de rejets polluants dans ['atmosphere en particulier en regime dit de plein gaz du moteur. Ces exigences impliquent des modes de fonctionnement souvent incompatibles entre eux. Par exemple, la stabilite de la flamme de combustion, necessaire notamment aux falbles regimes de fonctionnement du moteur, est favorisee par une heterogeneite du melange air/carburant presentant des zones riches en melange proches de zones pauvres. A I'inverse, la formation de polluants, comme les oxydes d'azote, est limitee par une combustion en milieu de melange air/carburant pauvre et homogene. Un systeme a injection en carburant mono-point tel que celui decrit precedemment ne permet pas de remplir correctement toutes les exigences de fonctionnement enumerees ci-dessus. En effet, I'injection de carburant de ces systemes steffectue dans des zones ou la masse d'air introduite est la plus reduite ce qui a tendance a rendre le melange air/carburant heterogene. L'injection de carburant reduite a un seul point est en outre optimisee pour seulement un ou au plus deux regimes de forctionnement du moteur. En particulier, le regime de fonctionnement au ralenti de ces systemes dinjection ntest pas parfaitement assure ce qui conduit a des niveaux importants d'emissions en monoxyde de carbone. Afi n de pal lier ces inconvenients, il est con nu diutil iser des chambres de combustion a deux fetes dont le principe consiste a separer les combustions a faible et a haut regime en munissant la chambre d'injecteurs de carburant repartis sur une tete cite > et sur une tete cite > espacee de la precedente 3 la fois radialement et axialement. Bien que cette solution apparaisse satisfaisante, une chambre a deux fetes reste dimcile a piloter et onereuse compte-tenu du doublement du nombre d'injecteurs de carburant par rapport a une chambre de combustion classique simple fete. On conna^'t egalement le brevet americain US 5,816,049 qui propose un systeme d'injection d'un melange air/carburant dont ['injection de carburant s'effectue de fason multi-points par des orifices prevus au niveau d'un venturi delimitant des ecoulements d'air issus d'une vrille radiale et d'une vrille axiale et par des orifices debouchant dans le passage de l'ecoulement d'air issu de la vrille radiale. Cependant, le systeme d'injection decrit dans ce brevet presente egalement des inconvenients. L'alimentation en carburant des orifices d'injection s'effectue notamment par plusieurs conduits d'alimentation ce qui aug me nte considera blement les risques de cokefaction du carbu rant. De plus, la disposition particuliere des orifices d'injection de carburant par rapport a ['injection d'air entrane des risques importants de remontee de carburant. Objet et resume de ['invention La presente invention vise done a pallier de tels inconvenients en proposant un systeme d'injection comportant une injection multi modes du melange air/carburant qui permet de preparer un melange air/carburant optimal aux conditions de faible regime et de regime eleve afin de limiter les emissions polluantes. Wile vise egalement un systeme d'injection qui limite les risques de cokefaction et empeche toute remontee de carburant. A cet effet, il est prevu un systeme diinjection d'un melange air/carburant dans une chambre de combustion d'un moteur a turbine a gaz, le systeme d'injection ayant un axe longitudinal et comportant des moyens diinjection de carburant interposes entre des premiers et des seconds moyens d'injection d'air, les moyens d'injection de carburant etant disposes dans une cavite interne annulaire d'un venturi, la cavite eta nt deli m itee par u ne paroi a mont sensi bleme nt axiale et par u ne paroi aval sensiblement radiale et s'ouvrant vers la chambre de combustion par 11ntermediaire d'une pluralite d'orifices d'injection de carburant, caracterise en ce que les moyens dinjection de carburant comportent une pluralite de premiers circuits d'admission de carburant munis chacun d'au moins un orifice diinjection de carburant pratique dans la paroi amont du venturi, et une pluralite de seconds circuits d'admission de carburant, independents des premiers, munis chacun d'au moins un orifice dinjection de carburant pratique dans la paroi aval du venturi, de fason a definir une pluralite de modes independents d'injection du melange air/carburant selon des regimes determines de fonctionnement du moteur. De la sorte, le systeme diinjection permet a la fois de generer un melange air/carburant homogene et pauvre aux conditions de regime eleve afin de limiter les emissions polluantes d'oxydes d'azote, et de creer des poches de gaz en proportion stcechiometrique aux conditions de falble regime afin de garantir l'allumage et la stabilite de la flamme de combustion dans la chambre tout en ma^'trisant les emissions de monoxyde de carbone. L'injection du melange air/carburant s'effectue de fason multi-modes suivant les conditions de fonctionnement du moteur. La repartition de carburant dans le systeme d'injection peut ainsi etre parfaitement contrdlee en fonction de la masse d'air introduite par les moyens d'injection d'air. Avantageusement, les orifices d'injection de carburant des premiers circuits d'admission de carburant s'ouvrent vers la chambre de combustion dans une direction generale sensiblement radiale, et les orifices d'injection de carburant des seconds circuits d'admission de carburant siouvrent vers la chambre de combustion dans une direction generale sensiblement axiale. De plus, les orifices diinjection de carburant des premiers et seconds circuits d'admission de carburant, regulierement repartis autour de l'axe longitudinal, ont des positions angulaires decales les uns par rapport aux autres afin d'ameliorer l'homogeneisation du melange. Un conduit unique d'alimentation permet d'alimenter en carburant les premiers et seconds circuits d'admission de carburant par exemple par l'intermediaire d'une pluralite de tubes concentriques. Ainsi, I'alimentation en carburant s'effectue par un unique conduit ce qui limite les risques de cokefaction en profitant du refroidissement obtenu par la circulation du carburant dans les circuits. Des moyens supplementaires d'injection d'air ou de carburant centres sur l'axe longitudinal du systeme d'injection permettent avantageusement de definir des modes additionnels d'injection du melange air/carburant. Ces moyens vent montes sur un bol centre sur l'axe longitudinal et s'etendant vers l'aval depuis les premiers moyens d'injection d'air. Breve description des dessins D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en reference aux dessins annexes qui en illustrent un exemple de realisation depourvu de tout caractere limitatif. Sur les figures: - la figure 1 est une vue en coupe et partielle d'une chambre de combustion equipee de systemes d'injection selon un exemple de realisation de ['invention; - la figure 2 est une vue partielle et agrandie d'un systeme d'injection de la figure 1; et - la figure 3 est une vue en perspective et en ecorche d'un systeme d'injection de la figure 1. Description detaillee d'un mode de realisation On se refere a la figure 1 qui illustre partiellement et en coupe une chambre de combustion 10 equipee d'une pluralite de systemes d'injection d'un melange air/carburant 12. La chambre de combustion 10 est accrochee sur un carter externe 14 par des moyens de fixation non representes. Wile est par exemple du type annulaire et est delimitee par deux parois annulaires 16, 18 reliees en amont par un fond de chambre annulaire 20. Le fond de chambre 20 comporte une pluralite d'ouvertures regulierement espacees de fason circulaire autour d'un axe 21 du moteur 3 turbine a gaz equipee d'une telle chambre de combustion. Un systeme diinjection 12 conforme a ['invention est monte dans chacune de ces ouvertures. Les systemes d'injection preparent un melange air/carburant destine 3 etre brule dans la chambre de combustion 10. Les gaz issus de cette combustion s'ecoulent vers l'aval dans la chambre avant d'alimenter une turbine haute pression. Comme plus particulierement illustre par la figure 2, le systeme d'inje*ion 12, d'axe longitudinal X-X, comporte des moyens d'injection de carburant interposes entre des premiers et des seconds moyens dinjection d'air. Ces premiers et seconds moyens d'injection d'air vent de preference constitues respectivement par des vrilles interne 22 et externe 24 disposees radialement par rapport 3 I'axe longitudinal X-X. Ces vrilles d'air, de type connu en soi, delivrent done chacune un flux d'air dans une direction sensiblement radiale. La vrille externe 24 est montee de fason 3 etre decalee radialement par rapport a la vrille interne 22. Les moyens d'inje*ion de carburant vent montes dans une cavite interne annulaire d'un venturi annulaire 26 centre sur l'axe longitudinal X-X du systeme diinjection et delimitant les ecoulements d'air issus des vrilles interne 22 et externe 24. Le venturi comporte notamment une paroi amont 28 s'etendant dans une direction sensiblement axiale depuis la vrille interne 22 et se prolongeant par une paroi aval 30 sensiblement radiale reliee a la vrille externe 24. Conformement a ['invention, les moyens d'injection de carburant comportent une pluralite de premiers circuits d'admission de carburant 32 et une pluralite de seconds circuits 34 d'admission de carburant. Ces premiers et seconds circuits vent independents entre eux. Pour des raisons de commodite de representation, les moyens d'injection de carburant illustres par les figures 1 a 3 comportent un unique premier et un unique second circuits d'admission de carburant. Bien entendu, on peut envisager que ces moyens d'injection comportent plusieurs premiers et seconds circuits. Les circuits d'admission de carburant 32, 34 vent notamment delimites par les parois amont 28 et aval 30 du venturi 26. Les premiers circuits d'admission de carburant 32 s'ouvrent vers la chambre de combustion 10 par l'intermediaire d'au moins un orifice d'injection de carburant 36 pratique dans la paroi amont du venturi. Les seconds circuits d'admission de carburant 34 s'ouvrent vers la chambre de combustion 10 par l'intermediaire d'au moins un orifice d'injection de carburant 38 pratique dans la paroi aval du venturi. A titre d'exemple, il peut etre prevu 6 orifices d'injection de carburant par circuit d'admission de carburant. Ainsi, le carburant present dans les premiers circuits d'admission de carburant 32 est injecte dans l'ecoulement du flux d'air genere par la vrille interne 22. De meme, le carburant present dans les seconds circuits d'admission de carburant 34 est injecte dans ltecoulement du flux d'air genere par la vrille externe 24. La presence d'une pluralite de premiers et de seconds circuits d'admission de carburant independents munis chacun d'au moins un orifice d'injection de carburant permet done de definir une pluralite de modes independents d'injection du melange air/carburant selon des regimes determines de fonctionnement du moteur. Par exemple, dans le cas de moyens d'injection de carburant comportant un unique premier et un unique second circuits d'admission de carburant, une injection de carburant effectuee par le premier circuit 32 peut correspondre a un regime de ralenti du moteur, tandis qu'une injection de carburant realisee par le premier et le second circuits peut convenir a un regime plein gaz du moteur. Selon un autre exemple de realisation non represente sur les figures, il peut etre prevu 16 premiers et 16 seconds circuits d'admission de carburant, ces circuits etant chacun muni de 2 orifices d'injection de carburant. De la sorte, ces moyens d'injection de carburant permettent de definir 16*16 soit 256 modes independents d'inje*ion du melange air/carburant. De preference, les orifices diinjection de carburant 36 des premiers circuits d'admission de carburant 32 stouvrent vers la chambre de combustion 12 dans une direction generale sensiblement radiale, et les orifices dtinjec*ion de carburant 38 des seconds circuits d'admission de carburant 34 s'ouvrent vers la chambre de combustion dans une direction generale sensiblement axiale. Selon une cara*eristique avantageuse de ['invention, les orifices d'inje*ion de carburant 36, 38 des premiers et seconds circuits d'admission de carburant 32, 34 vent repartis regulierement tout autour de l'axe longitudinal X-X du systeme d'inje*ion, et les orifices 36 des premiers circuits ont des positions angulaires decalees par rapport aux orifices 38 des seconds circuits. Cette caracteristique permet d'ameliorer l'homogeneite du melange air/carburant. En outre, les orifices d'injec*ion de carburant ne vent de preference pas disposes en vis a vis des sorties d'air des vrilles interne et externe. Sur les figures et 2, on remarque que le systeme d'inje*ion 12 selon ['invention comporte en outre au moins un conduit radial d'alimentation 40 alimentant en carburant a la fois les premiers et seconds circuits d'admission de carburant 32, 34. Ce conduit d'alimentation 40 comporte avantageusement une pluralite de tubes, par exemple concentriques, alimentant chacun un circuit d'admission de carburant. Dans le cas illustre par la figure 2, le conduit d'alimentation comporte deux tubes 42, 44. Plus precisement, un premier tube central 42 du conduit alimente en carburant le second circuit d'admission de carburant 34, ce dernier ayant de preference une forme de tore (figure 3). Un second conduit 44, concentrique au premier, alimente en carburant le premier circuit 32. Dans le cas de plusieurs premiers et plusieurs seconds circuits d'admission de carburant, il est prevu autant de tubes concentriques qu'il y a de circuits. Ainsi, I'alimentation de carburant des circuits d'admission de carburant s'effectue par un conduit unique 40 ce qui limite les risques de cokefac*ion du carburant. Alternativement, on peut envisager que les conduits d'alimentation en carburant soient paralleles et independents entre eux. Le carburant present dans les circuits d'admission de carburant est protege des gaz chauds issus de la combustion du melange air/carburant par l'intermediaire d'ecrans thermiques 46 notamment interposes entre les circuits 32, 34 et les parois amont 28 et aval 30 du venturi 26. Le carburant qui circule dans les circuits d'admission de carburant permet egalement de refroidir les parois du venturi. Dans le cas de plusieurs premiers et plusieurs seconds circuits d'admission de carburant, les ecrans thermiques peuvent egalement servir a separer les differents circuits les uns des autres. Selon une autre caracteristique avantageuse de ['invention, le systeme d'injection comporte en outre des moyens supplementaires 48 d'injection d'air ou de carburant (representes en pointilles sur la figure 2) centres sur son axe longitudinal X-X. Ces moyens supplementaires dtinjection 48 permettent ainsi de definir des modes additionnels d'inje*ion du melange air/carburant. Par exemple, dans le cas de moyens su pplementaires d'i njection de carbu rant, I'injection de carbu rant real isee uniquement par ces moyens peut correspondre a un regime de ralenti du moteur, et ['injection de carburant effectuee a la fois par ces moyens supplementaires et par les orifices des premiers circuits d'admission de carburant peut convenir a toute une gamme de regimes intermediaires. Enfin, une injection de carburant par les moyens supplementaires et par les orifices des premiers et seconds circuits peut coincider avec un regime plein gaz du moteur. De preference, les moyens supplementaires 48 dtinjection d'air ou de carburant vent montes sur un bol 50 centre sur l'axe longitudinal X-X et s'etendant vers l'aval depuis les premiers moyens d'injection d'air. Dans le cas de moyens supplementaires diinjection de carburant, ceux-ci vent constitues par exemple par un injecteur de carburant classique traversant une paroi 52 du bol 50 formant fond. De meme, lorsqu'il s'agit de moyens supplementaires dtinjection d'air, ceux-ci peuvent etre formes par une vrille d'air classique traversant egalement la paroi 52 du bol formant fond. Enfin, on peut egalement noter qu'un tube de melange 54 est dispose en aval de la vrille externe 24. Ce tube de melange comporte une 3 5 pa roi 56 convergeant vers l'ava l et se termi nant pa r u ne pa roi 58 sensiblement radiale se prolongeant dans la chambre de combustion par un deflecteur 60. Ce tube permet d'accelerer ltecoulement du melange air/carburant vers la chambre de combustion et d'empecher que la flamme de combustion ne remonte vers l'amont. REVENDICATIONS i. Systeme dtinje*ion (12) d'un melange air/carburant dans une chambre de combustion (10) d'un moteur a turbine a gaz, ledit systeme d'injection ayant un axe longitudinal (X-X) et comportant des moyens d'injection de carburant interposes entre des premiers (22) et des seconds moyens diinjection d'air (24), lesdits moyens d'injection de carburant etant disposes dans une cavite interne annulaire (32, 34) diun venturi (26), ladite cavite etant delimitee par une paroi amont (28) sensiblement axiale et par une paroi aval (30) sensiblement radiale et s'ouvrant vers la chambre de combustion par l'intermediaire d'une pluralite d'orifices d'injection de carburant (36, 38), caracterise en ce que lesdits moyens dtinjection de carburant comportent une pluralite de premiers circuits d'ad m ission de carbu rant (32) munis chacu n d 'au moi ns un orifice d'injection de carburant (36) pratique dans la paroi amont audit venturi, et une pluralite de seconds circuits d'admission de carburant (34), independents des premiers, munis chacun d'au moins un orifice d'injection de carburant (38) pratique dans la paroi aval audit venturi, de fason a definir une pluralite de modes independents d'injection du melange air/carburant selon des regimes determines de fonctionnement du moteur. 2. Systeme selon la revendication i, caracterise en ce que les orifices d'injection de carburant (36) desdits premiers circuits d'admission de carburant (32) s'ouvrent vers la chambre de combustion dans une direction generale sensiblement radiale, et en ce que les orifices d'injection de carburant (38) desdits seconds circuits d'admission de carburant (34) s'ouvrent vers la chambre de combustion dans une direction generale sensiblement axiale. 3. Systeme selon l'une des revendications ou 2, caracterise en ce q ue les orifices d 'i njection de carbu rant (36, 3 8) desdits premiers et seconds circuits d'admission de carburant (32, 34) vent repartis regulierement tout autour audit axe longitudinal. 4. Systeme selon l'une quelconque des revendications precedentes, ca racterise en ce que les orifices d 'i njection de carbu rant (36) desdits premiers circuits d'admission de carburant (32) ont des positions angulaires decalees par rapport aux orifices dtinjection de carburant (38) desdits seconds circuits d'admission de carburant (34). 5. Systeme selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les seconds circuits d'admission de carburant (34) ont une forme de tore. 6. Systeme selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte en outre au moins un conduit radial d'alimentation (40) alimentant en carburant les premiers et seconds circuits d'admission de carburant (32, 34). 7. Systeme selon la revendication 6, caracterise en ce que le conduit d'alimentation comporte une pluralite de tubes concentriques (42, 44) alimentant chacun un circuit d'admission de carburant. 8. Systeme selon l'une quelconque des revendications a 7, caracterise en ce qu'il comporte en outre des moyens supplementaires d'injection d'air (48) centres sur 1'axe longitudinal (X-X) du systeme d'injection. 9. Systeme selon l'une quelconque des revendications a 7, caracterise en ce qutil comporte en outre des moyens supplementaires d'injection de carburant (48) centres sur 1'axe longitudinal (X-X) du systeme d'injection. 10. Systeme selon l'une des revendications 8 ou 9, caracterise en ce que lesdits moyens supplementaires d'injection vent montes sur un bol (50) centre sur ledit axe longitudinal et s'etendant vers 1'aval depuis les premiers moyens d'injection d'air (22). 11. Systeme selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les premiers (22) et seconds moyens d'injection d'air (24) vent disposes radialement par rapport audit axe longitudinal. 12. SystAme salon lane quelconque des revendlcabons prAcddentes, cara6MsA en ce que les premiers et lea seconds moyens d1njeion dog vent contours respeivement par une vale interns (Z2)