Brevet FR2906868A1 — publié le 20080411

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et vise en particulier les moyens d'injection du carburant dans la chambre de combustion d'un tel moteur. La chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz est disposée fonctionnellement entre la section de compression dont elle reçoit l'air après qu'il a été comprimé et la section de turbine qu'elle alimente en gaz chaud. Elle est contenue généralement à l'intérieur d'une enceinte annulaire délimitée par un carter radialement extérieur et une paroi radialement intérieure protégeant les arbres moteurs. Selon un mode de réalisation de l'art antérieur, la chambre où se produit la combustion est elle-même définie entre deux viroles coaxiales l'une interne, l'autre externe, maintenues espacées des deux parois ci-dessus mentionnées par des brides ou appuis appropriés. Le fond de chambre en amont, du côté du compresseur, est pourvu d'un carénage amont par lequel le flux d'air incident en sortie du diffuseur est distribué en partie vers l'intérieur de la chambre où se produit la combustion primaire et en partie en aval de cette dernière en la contournant. Des moyens d'injection de carburant associés à des vrilles d'air assurant la formation d'un mélange d'air carburé tourbillonnant qui débouche dans la chambre à travers des ouvertures ménagées dans le fond de chambre qui comprend également des orifices contrôlant la circulation de l'air carburé. Ce système ne permet pas une combustion optimale à tous les régimes de fonctionnement dont les conditions varient entre le ralenti moteur et le régime plein gaz. Afin d'améliorer le fonctionnement de la chambre de combustion à ces différents régimes et de satisfaire aux contraintes visant la réduction de la pollution, on cherche à limiter d'une part la formation de résidus de combustion imbrûlés résultant de mélanges trop riches en hydrocarbure et d'autre part la formation d'oxydes d'azote liés à la température de flamme. On a proposé des architectures de chambre avec des mélangeurs adaptés pour le fonctionnement respectivement en mode ralenti et en mode plein gaz. Par exemple, on connaît une chambre de combustion annulaire double avec un étagement radial des mélangeurs de manière à former des zones de combustion distinctes convenablement alimentées selon le régime. Au ralenti seuls les mélangeurs radialement extérieurs sont alimentés en carburant définissant des zones de combustion primaires de ralenti. Au 2906868 2 régime plein gaz les mélangeurs radialement intérieurs sont alimentés à leur tour pour une combustion optimale. On a développé également des chambres de combustion avec des 5 mélangeurs à flux gazeux tourbillonnaires annulaires doubles. Dans un tel mélangeur, le carburant fourni par un injecteur pilote central est mélangé à un premier flux d'air annulaire tourbillonnant pour alimenter une première zone de combustion de ralenti. Le mélangeur comprend un dispositif d'injection supplémentaire, de forme annulaire et coaxial au premier 10 débitant le carburant radialement dans un deuxième flux d'air tourbillonnant coaxial au premier. Ce second injecteur est alimenté en fonction de la demande en puissance du moteur. Un exemple de ce dispositif est décrit dans le brevet US 6 484 489. 15 Le document EP 1 531 305 décrit un dispositif d'injection de carburant multipoint pour chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant une pluralité de buses d'injection de carburant disposées en au moins deux rangées par exemple concentriques avec des moyens commandant l'alimentation en carburant séparément dans chacune des 20 rangées. Les buses comprennent chacune un canal avec des moyens tels que des vrilles pour y créer un flux tourbillonnaire. Ce dispositif permet de maintenir une flamme, dans chaque rang de buses, à une température optimale pour réduire l'émission de gaz polluant. 25 La présente invention a pour objectif la réalisation d'un injecteur de carburant permettant une combustion étagée, c'est-à-dire permettant de créer une zone de combustion en phase de ralenti et une zone de combustion principale, satisfaisant aux contraintes toujours plus sévères relatives à l'émission de polluants. 30 On parvient à cet objectif avec un injecteur de carburant pour chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant un premier conduit d'alimentation en carburant pour un fonctionnement au ralenti et un second conduit d'alimentation principal en carburant pour un fonctionnement 35 jusqu'au régime de plein gaz, des premiers et des seconds orifices d'injection avec lesquels les deux conduits d'alimentations communiquent respectivement et par lesquels le carburant est injecté. Cet injecteur de carburant est caractérisé par le fait que les orifices d'injection sont disposés en anneau, les premiers orifices occupant un secteur du dit anneau. 40 2906868 3 La solution de l'invention permet de créer une zone de combustion pour le fonctionnement au ralenti qui n'est pas masquée par le flux d'air principal, la propagation de flamme latéralement s'en trouve améliorée. 5 De préférence l'injecteur comprend une pluralité nl d'orifices d'injection de ralenti et une pluralité n2 d'orifices d'injection principaux, dans un rapport tel que : nl/n2 Revendications 1. Injecteur de carburant pour chambre de combustion de moteur à turbine à gaz comprenant un premier conduit d'alimentation en carburant pour un fonctionnement au ralenti et un second conduit d'alimentation principal en carburant pour un fonctionnement jusqu'au régime de plein gaz, des premiers (112) et des seconds (113) orifices d'injection avec lesquels les deux conduits alimentations communiquent respectivement, caractérisé par le fait que les orifices d'injection (112, 113) sont disposés en anneau, les premiers orifices (112) occupant un secteur dudit anneau. 2. Injecteur selon la revendication précédente comprenant nl orifices de ralenti (112) et n2 orifices principaux (113), dans un rapport nl/n2 3. Injecteur selon la revendication 2 avec nl/n2 4. Injecteur selon la revendication 3 avec nl/n2 5. Injecteur selon l'une des revendications précédentes comprenant un canal central (101) d'alimentation en air primaire, les orifices d'injection (112, 113) étant répartis annulairement autour du dit canal central. 6. Injecteur selon la revendication 5 comprenant une portion formant distributeur (106) annulaire d'axe (XX) dont au moins une partie des orifices (112, 113) d'injection de carburant est ménagée sur une plaque transversale (106) à l'axe XX, une plaque (115B) formant bouclier et percée d'orifices de prémélange (115B2, 115B3, 115B4, 115B5) étant disposée transversalement aux orifices d'injection de carburant. 7. Injecteur selon la revendication précédente dont lesdits orifices (115B2, 115B4) de prémélange sont disposés de manière à être balayés par de l'air du flux primaire de manière à assurer un pré- 2906868 10 mélange d'air primaire avec du carburant issu des orifices d'injection (112). 8. Injecteur selon l'une des revendications 5 à 7 dont le canal central 5 (101) est pourvu d'une vrille. 9. Injecteur selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant un canal annulaire (103) d'alimentation en air secondaire coaxial à l'anneau formé par les orifices (112, 113) d'injection. 10.Injecteur selon la revendication 9 en combinaison avec les revendications 6 et 7 ou 6 et 8 dont la plaque (115B) formant bouclier est percée d'orifices (115B3, 115B5) de prémélange d'air secondaire avec du carburant issu des orifices d'injection (113). 15 11.Injecteur selon l'une des revendications 9 ou 10 dont le canal annulaire (103) est pourvu d'une vrille. 12.Moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion 20 annulaire avec des injecteurs (100) selon l'une des revendications 1 à 11 répartis autour de l'axe de la chambre dont les dits secteurs d'injection de carburant au ralenti sont disposés radialement à l'extérieur. 25 13.Procédé de fonctionnement d'un moteur selon la revendication précédente consistant, au ralenti, à alimenter le seul circuit d'alimentation de ralenti de manière à former une zone de combustion annulaire radialement extérieure. 10