Brevet FR2891314A1 — publié le 20070330

L'invention se rapporte à un injecteur de carburant équipant la chambre de combustion d'un moteur de turbine à gaz, plus particulièrement dans un turboréacteur d'avion. Elle concerne notamment un perfectionnement permettant d'éviter la cokéfaction du carburant dans le bras de l'injecteur où sont ménagés deux conduits coaxiaux appartenant à des circuits d'alimentation de carburant différents, respectivement un circuit primaire et un circuit secondaire. Dans un turboréacteur d'avion, la chambre de combustion est pourvue d'une pluralité d'injecteurs régulièrement répartis circonférentiellement au fond de la chambre de combustion annulaire. Chaque injecteur comporte un bras courbe terminé par une tête de pulvérisation. Le carburant circule dans ce bras, fixé au carter extérieur entourant la chambre de combustion, jusqu'à la tête de pulvérisation. L'air comprimé provenant d'un compresseur haute pression circule dans ce carter. Le carburant est mélangé à l'air dans le fond de la chambre de combustion avant de s'enflammer dans celle-ci. Pour garantir une pulvérisation optimale du carburant dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur, on a proposé des injecteurs mécaniques à deux circuits de carburant appelés respectivement circuit primaire et circuit secondaire. Le circuit dit primaire ou circuit de ralenti est conçu pour obtenir une pulvérisation particulièrement fine du carburant. Son débit est limité mais permanent. Le circuit dit secondaire ou circuit plein gaz est conçu pour compléter le débit de carburant jusqu'au point de plein gaz permettant, notamment, d'atteindre toute la puissance nécessaire au décollage. En revanche, ce circuit secondaire n'est pas utilisé en permanence et son débit est parfois très faible à certains régimes. Le carburant de ces deux circuits parvient à la tête de pulvérisation en s'écoulant dans des conduits coaxiaux définis à l'intérieur du bras. Classiquement, le conduit central appartient au circuit primaire et le conduit tubulaire qui l'entoure appartient au circuit secondaire. Or, la plus grande partie de l'injecteur, notamment le bras, peut être soumis à des températures élevées (300 K à 950 K pour un régime plein gaz) puisqu'un tel bras est installé dans un flux d'air chaud provenant du 2891314 2 dernier étage du compresseur haute pression. De plus, pendant certaines phases de fonctionnement où la température de l'air issu du compresseur est relativement élevée (430 à 600 K), le circuit secondaire peut ne pas être utilisé ou présenter un débit très faible, comme mentionné ci-dessus. Il pourrait en résulter un gommage ou une cokéfaction du carburant stagnant à l'intérieur de la partie du circuit secondaire qui s'étend dans le bras, c'est-à-dire le conduit tubulaire extérieur. Ces phénomènes peuvent altérer les caractéristiques des injecteurs, pouvant aller jusqu'au bouchage de certains d'entre eux et entraînant donc une carburation non homogène dans la chambre de combustion ainsi qu'une distorsion de la carte des températures à l'intérieur de celle-ci. Il peut en résulter une perte de performances de la chambre de combustion et de la turbine. Ces problèmes peuvent provoquer des brûlures du distributeur haute pression, de la turbine haute pression et même de certains éléments constitutifs de la turbine basse pression. Pour éviter les phénomènes de cokéfaction, un injecteur mécanique double circuit classique comporte une isolation thermique renforcée autour du bras de l'injecteur. Un tel bras est donc complexe et coûteux à fabriquer et sa masse est augmentée par les éléments d'isolation thermique. L'invention propose une nouvelle conception de l'injecteur, notamment du bras de celui-ci, permettant de supprimer ou au moins de considérablement réduire l'isolation thermique statique au profit d'un refroidissement par la circulation du carburant lui-même. Plus précisément, l'invention concerne un injecteur de carburant pour chambre de combustion de moteur de turbine à gaz du type comportant un bras d'injecteur à deux conduits coaxiaux supportant et alimentant une tête de pulvérisation à double jet, respectivement un conduit central et un conduit périphérique à section annulaire entourant ledit conduit central, ledit bras d'injecteur étant installé dans une veine d'air comprimé relativement chaud, caractérisé en ce que ledit conduit périphérique fait partie d'un circuit de carburant dit primaire, à débit permanent tandis que ledit conduit central fait partie d'un circuit de carburant dit secondaire à débit essentiellement variable. 2891314 3 En effet, puisque le carburant circule en permanence dans le circuit primaire, le fait de le faire circuler autour du conduit central dans lequel circule dorénavant le carburant du circuit secondaire permet d'éviter la cokéfaction dans ce conduit lorsque le carburant y stagne ou y circule avec un très faible débit. Le carburant du circuit primaire, introduit à une température beaucoup plus basse que celle de l'air provenant du compresseur haute pression, ne peut faire l'objet d'une cokéfaction (puisqu'il circule en permanence) et permet de refroidir le carburant du circuit secondaire lorsque celui-ci stagne dans le conduit central. Comme mentionné précédemment, il est souhaitable de pulvériser le carburant provenant du circuit primaire au centre du jet divergent délivré par l'injecteur et le carburant issu du circuit secondaire à la périphérie du jet pulvérisé. Pour atteindre cet objectif, l'invention concerne aussi un injecteur de carburant selon la définition qui précède, caractérisé en ce que ladite tête de pulvérisation comporte un agencement de canaux permettant d'éjecter le carburant circulant dans ledit conduit central en un jet divergent situé à l'extérieur du jet,de carburant issu dudit conduit périphérique. Pour ce faire, ladite tête de pulvérisation peut comporter un répartiteur connecté aux extrémités des deux conduits définis dans le bras. Ce répartiteur est logé dans un embout de pulvérisation prolongeant ledit bras et ledit agencement de canaux est ménagé essentiellement dans ledit répartiteur. Par exemple, le conduit central est prolongé par un trou borgne axial dudit répartiteur et des perçages s'étendent entre ledit trou borgne et des rainures respectives pratiquées, par exemple longitudinalement, à la surface dudit répartiteur. Ces rainures forment, avec la surface intérieure de l'embout, des canaux extérieurs débouchant dans une cavité annulaire ouverte définie à l'extrémité libre de cet embout. Par exemple, une buse prolongeant ledit répartiteur à l'intérieur dudit embout comporte extérieurement des nervures sensiblement hélicoïdales et en contact avec la paroi intérieure de l'embout. Ainsi, la buse définit avec ladite paroi intérieure de l'embout des canaux de mise en rotation agencés entre les canaux extérieurs du distributeur et la cavité 2891314 4 annulaire. La mise en rotation du carburant permet d'obtenir un jet divergent. Pour ce qui concerne le carburant du circuit primaire, la buse est creusée pour définir avec l'extrémité dudit répartiteur, une cavité centrale comportant un orifice central pour la pulvérisation du carburant. Le conduit périphérique défini dans le bras communique avec des perçages pratiqués dans le répartiteur et débouchant dans cette cavité centrale. Ces perçages s'étendent au moins en partie en biais par rapport à un axe du répartiteur, pour engendrer une mise en rotation du carburant dans la cavité centrale et par conséquent une éjection divergente du jet de carburant pulvérisé. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un injecteur conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe de la chambre de combustion, montrant l'un des injecteurs conformes à l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'extrémité de l'injecteur; - la figure 3 est une vue en perspective de la partie terminale de l'injecteur, selon une coupe III III de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective, de la même partie terminale de l'injecteur, selon une coupe IV IV de la figure 2. La figure 1 représente partiellement en demi coupe, une chambre de combustion 11 d'un turboréacteur d'avion 10. La chambre de combustion à géométrie globalement annulaire comporte un fond de chambre 12 à l'intérieur duquel sont engagées les têtes de pulvérisation 14 d'un certain nombre d'injecteurs 15 portés par un carter 16 entourant la chambre de combustion. Les injecteurs 15 sont espacés régulièrement circonférentiellement. De l'air sous pression relativement chaud, provenant d'un compresseur haute pression situé en amont, est introduit dans le carter par un diffuseur annulaire 18. L'air chaud se partage en deux flux; l'un traverse le carter 16 en contournant la chambre de combustion 11 et l'autre s'engage dans la chambre de combustion par des orifices du fond de chambre 12, pour se mélanger au carburant projeté par les têtes de pulvérisation 14 dans la chambre de combustion. Le carburant s'enflamme 2891314 5 pour fournir des gaz alimentant une turbine haute pression 20 située en aval. Chaque injecteur 15 comporte un bras d'injecteur 22 à deux conduits coaxiaux, supportant et alimentant la tête de pulvérisation 14 qui est du type à double jet. Le bras 22 est coudé à façon à maintenir la tête de pulvérisation perpendiculaire au fond de chambre. La structure du bras est des plus simples. Il comporte un tube extérieur 24 entouré d'une enveloppe protectrice 25 et un tube intérieur 26 engagé co-axialement dans le tube extérieur de façon à définir deux conduits coaxiaux, un conduit central 28 délimité par ledit tube intérieur et un conduit périphérique 29 à section annulaire entourant le conduit central et délimité par les deux tubes 24, 26 intérieur et extérieur. Comme on le voit sur la figure 1, le bras d'injecteur est installé dans une veine d'air comprimé relativement chaud, à savoir pour partie l'air qui contourne extérieurement la chambre de combustion 11 et pour partie l'air qui pénètre dans cette chambre de combustion. D'autre part, comme mentionné précédemment, chaque injecteur 15 est relié à deux circuits d'alimentation de carburant permettant d'adapter les conditions d'alimentation aux différents régimes du moteur. Les deux circuits, à l'extérieur du carter 16 sont symbolisés en traits interrompus. On distingue un circuit de carburant 32 dit primaire ou circuit de ralenti dont le débit, quoique faible, est permanent, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur et un circuit de carburant 33 dit secondaire à débit essentiellement variable mais pouvant dans certaines phases de fonctionnement être très faible voire presque nul. Selon une caractéristique importante de l'invention, le conduit périphérique 29 fait partie du circuit de carburant 32 dit primaire tandis que le conduit central 28 fait partie du circuit de carburant 33 dit secondaire. Ainsi, pour les raisons indiquées plus haut, le carburant qui circule dans le conduit périphérique (à une température très inférieure à celle de l'air qui circule dans le carter) n'a pas le temps de se cokéfier du fait d'un débit suffisant et constitue d'autre part une protection thermique efficace pour le carburant qui se trouve dans le conduit central 28. En effet, le carburant circulant dans le conduit périphérique refroidit en permanence le tube intérieur 26 et empêche le réchauffement du 2891314 6 carburant qui stagne éventuellement, à certains moments, dans le conduit central. Par conséquent, la cokéfaction du carburant dans le conduit central est évitée. De ce fait, tous les systèmes d'isolation coûteux et compliqués qui étaient prévus dans un système d'injection classique, ont pu être supprimés. Dans un injecteur double débit classique, on souhaite que le jet de carburant provenant du circuit secondaire 33 enveloppe le jet de carburant provenant du circuit primaire 32. Pour ce faire, la tête de pulvérisation comporte un agencement de canaux permettant d'éjecter le carburant circulant dans ledit conduit central 28 en un jet divergent situé à l'extérieur du jet de carburant issu du conduit périphérique 29. Comme on le voit sur les figures, la tête de pulvérisation 14 comporte, à l'extrémité du bras 22: un répartiteur 35, une buse 37 prolongeant ledit répartiteur et un embout 39 raccordé à l'extrémité du bras 22 et entourant le répartiteur et la buse. Le répartiteur 35 est connecté aux extrémités des deux conduits 28, 29. Il est approximativement cylindrique et admet un axe x-x qui se confond avec l'axe du double jet divergent qui est produit par la tête de pulvérisation 14. L'agencement de canaux précité est ménagé essentiellement dans ce répartiteur. Ainsi, le conduit central 28 est prolongé par un trou borgne 39 axial dudit répartiteur. Des perçages 41 perpendiculaires au trou borgne (ici quatre perçages à 90 les uns par rapport aux autres) s'étendent entre le trou borgne et des rainures 42 respectives pratiquées, ici longitudinalement, à la surface du répartiteur. Comme l'embout 39 est ajusté sur le répartiteur, les rainures 42 forment avec la surface intérieure de cet embout des canaux extérieurs 43 débouchant dans une cavité annulaire ouverte 45 définie à l'extrémité libre de l'embout. Celui-ci comporte un orifice conique 47 qui délimite le contour extérieur de la sortie de ladite cavité annulaire ouverte 45. Cette cavité annulaire est limitée intérieurement par la surface extérieure, ici conique, de la buse 37. Celle-ci prolonge le répartiteur 35 à l'intérieur de l'embout et elle comporte extérieurement des nervures 60 sensiblement hélicoïdales elles-mêmes en contact avec la paroi intérieure de l'embout 39. Elles définissent donc avec 2891314 7 celles-ci des canaux de mise en rotation qui sont agencés entre les canaux extérieurs 43 et la cavité annulaire 45. Ainsi, le carburant amené par le conduit central 28 passe par le trou borgne 39, puis dans les perçages 41 et dans les canaux extérieurs avant de s'engager dans les canaux de mise en rotation. On obtient ainsi un jet divergent qui entoure le jet issu du conduit périphérique. La buse 37 est creusée pour définir, avec l'extrémité du répartiteur 35, une cavité centrale 50 débouchant axialement par un orifice central 52 pour la pulvérisation du carburant du circuit primaire. Ainsi, la cavité annulaire 45 débouche tout autour de cet orifice central 52. Le conduit périphérique 29 communique avec des perçages 55 pratiqués dans le répartiteur et débouchant dans cette cavité centrale 50. Comme représenté, ces perçages s'étendent d'abord sensiblement longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe puis en biais par rapport à cet axe pour engendrer une mise en rotation du carburant dans la cavité centrale. De cette façon, le jet pulvérisé qui ressort de l'orifice central 52 est divergent. L'invention concerne en premier lieu l'agencement anti-cokéfaction, c'està-dire essentiellement la structure du bras 22. Une telle structure peut être utilisée avec d'autres types de tête de pulvérisation conçus pour être alimentées par un circuit primaire et un circuit secondaire tels que définis ci-dessus. 2891314 8 REVENDICATIONS 1. Injecteur de carburant pour chambre de combustion de moteur de turbine à gaz du type comportant un bras d'injecteur (22) à deux conduits coaxiaux (28, 29) supportant et alimentant une tête de pulvérisation (14) à double jet, respectivement un conduit central (28) et un conduit périphérique (29) à section annulaire entourant ledit conduit central, ledit bras d'injecteur étant installé dans une veine d'air comprimé relativement chaud, caractérisé en ce que ledit conduit périphérique (29) fait partie d'un circuit de carburant (32) dit primaire, à débit permanent, tandis que ledit conduit central (28) fait partie d'un circuit de carburant (33) dit secondaire à débit essentiellement variable. 2. Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite tête de pulvérisation (14) comporte un agencement de canaux permettant d'éjecter le carburant circulant dans ledit conduit central en un jet divergent situé à l'extérieur du jet de carburant issu dudit conduit périphérique. 3. Injecteur de carburant selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite tête de pulvérisation (14) comporte un répartiteur (35) connecté aux extrémités des deux conduits (28, 29) et logé dans un embout de pulvérisation (39) prolongeant ledit bras et en ce que ledit agencement de canaux est ménagé essentiellement dans ledit répartiteur. 4. Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit conduit central (28) est prolongé par un trou borgne (39) dudit répartiteur, en ce que des perçages (41) s'étendent entre ledit trou borgne et des rainures (42) respectives pratiquées à la surface dudit répartiteur et en ce que ces rainures forment avec la surface intérieure dudit embout des canaux extérieurs (43) débouchant dans une cavité annulaire ouverte (45) définie à l'extrémité libre dudit embout. 5. Injecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une buse (37) prolongeant ledit répartiteur à l'intérieur dudit embout (39), ladite cavité ouverte (45) étant définie entre ladite buse et la paroi intérieure dudit embout, en ce que cette buse est creusée pour définir une cavité centrale (50) avec l'extrémité dudit répartiteur et en ce que ledit conduit périphérique (29) communique avec des perçages (55) pratiqués dans ledit répartiteur et débouchant dans ladite cavité centrale, 2891314 9 cette dernière comportant un orifice central (52) pour l'éjection du carburant dudit circuit primaire et ladite cavité annulaire (45) débouchant tout autour de cet orifice central pour la pulvérisation du carburant dudit circuit secondaire. 6. Injecteur de carburant selon la revendication 5, caractérisé en ce que ces perçages (55) s'étendent au moins en partie en biais par rapport à un axe dudit répartiteur pour engendrer une mise en rotation du carburant dans ladite cavité centrale (50). 7. Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite buse comporte extérieurement des nervures (60) sensiblement hélicoïdales et en contact avec la paroi intérieure dudit embout pour définir avec celle-ci des canaux de mise en rotation agencés entre lesdits canaux extérieurs (43) et ladite cavité annulaire (45). 8. Injecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit conduit central (28) et ledit conduit périphérique (29) sont définis par des tubes coaxiaux (24, 26). 9. Chambre de combustion de moteur de turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'une pluralité d'injecteurs de carburant selon l'une des revendications précédentes, espacés régulièrement circonférentiellement. 10. Turbomachine comportant une chambre de combustion selon la revendication 9.