Brevet FR2903170A1 — publié le 20080104

Dispositif d'infection d'un mélange d'air et de carburant, chambre de combustion et turbomachine munies d'un tel dispositif L'invention se rapporte au domaine des turbomachines et concerne un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine . Elle concerne plus précisément un dispositif d'injection muni d'une nouvelle traversée coulissante et d'une nouvelle coupelle annulaire de maintien de la traversée coulissante permettant d'améliorer l'alimentation en air du dispositif d'injection. Dans la suite de la description, les termes "amont" ou "aval" seront utilisés pour désigner les positions des éléments de structure les uns par rapport aux autres en direction axiale, en prenant pour référence le sens d'écoulement des gaz. De même, les termes "interne" ou "radialement interne" et "externe" ou "radialement externe" seront utilisés pour désigner les positions des éléments de structure les uns par rapport aux autres en direction radiale, en prenant pour référence l'axe de rotation de la turbomachine ou l'axe de symétrie de la structure considérée. Une turbomachine comprend un ou plusieurs compresseur(s) délivrant de l'air sous pression à une chambre de combustion où l'air est mélangé à du carburant et allumé afin de générer des gaz de combustion chauds. Ces gaz s'écoulent vers l'aval de la chambre vers une ou plusieurs turbine(s) qui transforme(nt) l'énergie ainsi reçue afin d'entraîner en rotation le ou les compresseur(s) et fournir le travail nécessaire, par exemple, à la motorisation d'un avion. Typiquement, une chambre de combustion utilisée en aéronautique comprend une paroi interne et une paroi externe, reliées entre elles à leur extrémité amont par un fond de chambre. Le fond de chambre présente, espacées circonférentiellement, une pluralité d'ouvertures recevant chacune un dispositif d'injection au milieu duquei 2903170 2 vient se positionner un injecteur, l'ensemble permettant l'amenée du mélange d'air et de carburant dans la chambre. La chambre de combustion est alimentée par du carburant 5 liquide, mélangé à de l'air issu d'un compresseur. Le carburant liquide est amené jusqu'à la chambre par les injecteurs dans lesquels il est vaporisé en fines gouttelettes. Cette vaporisation est initiée au niveau de l'injecteur grâce à des gicleurs et est poursuivie au niveau du venturi et du bol par l'effet d'air sous pression provenant d'un compresseur. Cet air sous 10 pression traverse, d'une part, les vrilles radiales du dispositif d'injection pour mettre en rotation le carburant pulvérisé par l'injecteur, et, d'autre part, des orifices ménagés dans différentes parties du dispositif d'injection telles que le bol. 15 Comme illustré notamment dans le document FR 2 753 779, un dispositif d'injection possède une symétrie de révolution et comporte, disposés de l'amont vers l'aval, une traversée coulissante, liée par une coupelle annulaire à des vrilles radiales. Les vrilles radiales comportent un venturi et sont reliées par leur extrémité aval à un bol à paroi conique 20 divergente. Le bol est lui-même relié au fond de chambre par l'intermédiaire d'un déflecteur. Selon l'art antérieur, la traversée coulissante comporte, disposés de l'amont vers l'aval, une paroi amont de forme conique convergente, se prolongeant en une paroi cylindrique qui se termine en aval par un flasque annulaire s'étendant radialement vers 25 l'extérieur. Du fait de la forme conique convergente de sa partie amont, la traversée coulissante constitue un obstacle que doit contourner l'air provenant du compresseur. De même, le diamètre extérieur de la coupelle annulaire, qui sert de guide radial pour la traversée coulissante, étant 30 important, la coupelle annulaire constitue elle aussi un obstacle à contourner. Ceci est à l'origine de recirculations d'air et de pertes de charge importantes, néfastes pour l'alimentation en air du dispositif d'injection. La qualité de pulvérisation est alors dégradée, ce qui se traduit par une taille de gouttelettes plus grande, et un dépôt de coke peut 35 apparaître sur le venturi et le bol. La carburation, et donc les performances, sont ainsi dégradées. 2903170 3 L'objet de l'invention est de réaliser un dispositif d'injection permettant d'optimiser l'alimentation en air en minimisant les pertes de charge entre la sortie du compresseur et l'intérieur de la chambre de 5 combustion. Cet objectif est atteint en aménageant le profil et la forme de la traversée coulissante et de la coupelle annulaire. L'invention permet de résoudre ce problème en proposant un 10 dispositif d'injection comportant une traversée coulissante et une coupelle annulaire dont les géométries sont telles que l'air issu du compresseur ne rencontre plus d'obstacle sur la partie amont du dispositif d'injection. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif 15 d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine, le dispositif d'injection ayant une symétrie de révolution autour d'un axe et comportant, disposés d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, une traversée coulissante au centre de laquelle est positionné un injecteur, une coupelle annulaire maintenant 20 axialement la traversée coulissante, au moins une vrille radiale comportant un venturi, et reliée par son extrémité aval à un bol, remarquable en ce que la traversée coulissante comporte, disposés de l'amont vers l'aval, une partie amont cylindrique, se prolongeant en une partie intermédiaire conique convergente et se terminant en un flasque 25 annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur. Avantageusement, la coupelle annulaire comporte, disposés de l'amont vers l'aval, un carénage amont profilé se prolongeant en un flasque annulaire s'étendant radialement vers l'intérieur. Préférentiellement, le carénage amont profilé de la coupelle 30 annulaire a une forme conique divergente et une paroi externe convexe. La partie amont cylindrique de la traversée coulissante peut comporter une face amont en biseau, la face amont étant inclinée radialement vers l'intérieur. De façon préférentielle, la face amont de la traversée 35 coulissante est inclinée selon un angle d'environ 45 par rapport à l'axe de symétrie du dispositif d'injection. 2903170 4 La partie amont cylindrique de la traversée coulissante peut de plus être munie d'une vrille axiale. Avantageusement, le flasque annulaire de la traversée coulissante a une extrémité radialement interne munie d'au moins une 5 rangée d'orifices. Les orifices de la rangée peuvent être répartis de façon régulière sur toute la circonférence du flasque annulaire et leur axe peut être globalement parallèle à la partie intermédiaire conique convergente de la traversée coulissante. Selon un mode préféré de réalisation, le bol et la coupelle 10 annulaire ayant chacun un rayon extérieur, le rayon extérieur du bol est compris entre 1,1 et 1,2 fois la valeur du rayon extérieur de la coupelle annulaire. Dans ce cas, de façon avantageuse, le bol comporte une paroi conique divergente qui forme avec l'axe du symétrie du dispositif d'injection un angle compris entre 70 et 130 degrés. 15 Par ailleurs, l'invention concerne aussi une chambre de combustion comprenant une paroi interne, une paroi externe, un fond de chambre et munie d'au moins un tel dispositif d'injection. L'invention concerne enfin une turbomachine munie d'une telle chambre de combustion. 20 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description d'un mode préféré de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en 25 référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une turbomachine et plus précisément d'un turboréacteur d'avion ; - la figure 2a est une vue schématique en coupe de la partie amont inférieure d'une chambre de combustion munie d'un dispositif 30 d'injection selon l'art antérieur ; - la figure 2b est une vue schématique en coupe de la partie amont supérieure d'une chambre de combustion munie d'un dispositif d'injection selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe de la partie 35 amont supérieure d'une chambre de combustion munie d'une variante de réalisation d'un dispositif d'injection selon l'invention. 2903170 5 La figure 1 montre en coupe une vue d'ensemble d'une turbomachine 1, par exemple un turboréacteur d'avion, comprenant un 5 compresseur basse pression 2, un compresseur haute pression 3, une chambre de combustion 4, une turbine basse pression 5 et une turbine haute pression 6. La chambre de combustion 4 peut être du type annulaire et est délimitée par deux parois annulaires 7 espacées radialement par rapport à l'axe X de rotation du turboréacteur, et reliées à leur extrémité 10 amont à un fond de chambre annulaire 8. Le fond de chambre 8 comporte une pluralité d'ouvertures (non représentées), régulièrement espacées circonférentiellement. Dans chacune de ces ouvertures est monté un dispositif d'injection. Les gaz de combustion s'écoulent vers l'aval dans la chambre de combustion 4 et alimentent ensuite les turbines 5 et 6 qui 15 entraînent respectivement les compresseurs 2 et 3 disposés en amont du fond de chambre 8, par l'intermédiaire respectivement de deux arbres 9 et 10. Le compresseur haute pression 3 alimente en air les dispositifs d'injection, ainsi que deux espaces annulaires disposés radialement respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre de combustion 4. 20 L'air introduit dans la chambre de combustion 4 participe à la vaporisation du carburant et à sa combustion. L'air circulant à l'extérieur des parois de la chambre de combustion 2 participe au refroidissement de ces parois et pénètre dans la chambre par des trous de dilution (non représentés) afin de refroidir les gaz de combustion transmis à la turbine. 25 La figure 2a montre une vue schématique en coupe de la partie amont inférieure d'une chambre de combustion 4 munie d'un dispositif d'injection 20a selon l'art antérieur dont l'axe de symétrie de révolution est repéré Y. 30 Selon l'art antérieur, le dispositif d'injection 20a comporte une traversée coulissante 30a, au centre de laquelle se positionne un injecteur 40. La traversée coulissante 30a est composée d'une partie amont conique convergente 31a se prolongeant en une partie cylindrique 32a 35 d'axe Y, cette partie cylindrique étant munie à son extrémité aval d'un flasque annulaire 33a s'étendant radialement vers l'extérieur. La partie 2903170 6 conique convergente 31 a est inclinée à 45 environ par rapport à l'axe Y et à pour fonction de guider l'injecteur 40 lors de son montage sur le dispositif d'injection. Au niveau du flasque annulaire 33a, la traversée coulissante 30a est maintenue axialement par une coupelle annulaire 50a. 5 La coupelle annulaire 50a comporte un flasque annulaire 51a s'étendant radialement vers l'extérieur. Son extrémité radiale extérieure se termine par un bec annulaire cylindrique 52a d'axe Y dirigé vers l'amont. La coupelle annulaire 50a est reliée à des vrilles radiales 60a, ici au nombre de deux, par l'intermédiaire de son bec annulaire 52a lié, par exemple par 10 brasage, à un bec 61a de forme correspondante disposé à l'extrémité amont extérieure des vrilles 60a. Un espace est ménagé axialement entre le flasque annulaire 51a et les vrilles radiales 60a de façon à autoriser le débattement radial de la traversée coulissante 30a. Ce débattement permet de compenser les déplacements relatifs entre l'injecteur 40 et le 15 dispositif d'injection 20a. Les vrilles 60a sont munies d'un venturi 62a et sont reliée par leur extrémité aval intérieure à un bol 70. Le bol 70 est fixé par l'intermédiaire d'un déflecteur 80 au fond de chambre 8. La forme de la partie amont 31a de la traversée coulissante constitue un obstacle au flux d'air F issu du compresseur et crée une 20 recirculation d'air 100 provoquant des pertes de charge. De même, à cause de sa forme et notamment à cause de la présence du bec annulaire 52a, la coupelle annulaire constitue elle aussi un obstacle provoquant une recirculation d'air 101 et des pertes de charge. Ceci est à l'origine d'une mauvaise alimentation en air du dispositif d'injection 20a et entraîne 25 notamment des dépôts de coke sur le venturi 62a et sur le bol 70. Comme illustré à la figure 2b, selon l'invention, le dispositif d'injection 20b comporte toujours une traversée coulissante 30b maintenue axialement par une coupelle annulaire 50b mais leurs formes 30 sont adaptées de façon à améliorer l'alimentation en air du dispositif d'injection 20b. A cet effet, la traversée coulissante 30b est composée, disposées de l'amont vers l'aval, d'une partie amont cylindrique 31 b, se prolongeant en une partie intermédiaire conique convergente 32b et se 35 terminant en un flasque annulaire 33b s'étendant radialement vers l'extérieur. La partie amont cylindrique 31b présente une face amont 34b 2903170 7 en biseau, cette face amont étant inclinée radialement vers l'intérieur, selon un angle d'environ 45 . Cette inclinaison permet à la traversée coulissante selon l'invention d'assurer sa fonction de guide lors du montage de l'injecteur 40. La partie amont cylindrique 31b peut-être munie 5 d'une vrille axiale 35b permettant d'améliorer l'alimentation en air du dispositif d'injection en introduisant de l'air issu du compresseur au niveau de l'extrémité aval de l'injecteur 40. La partie intermédiaire conique 32b a une dimension axiale et une inclinaison adaptées de façon à relier la partie amont 31b et le flasque annulaire 33b tout en guidant l'air en sortie 10 de la vrille axiale 35b. La traversée coulissante 30b est maintenue axialement au niveau de son flasque annulaire 33b par la coupelle annulaire 50b. La coupelle annulaire 50b comporte un carénage amont profilé 51b. Ce carénage amont 51b a une forme globalement conique divergente, sa 15 paroi étant légèrement convexe. Le carénage amont 51b se prolonge par un flasque annulaire 52b s'étendant radialement vers l'intérieur. La coupelle annulaire 50b est reliée, au niveau du raccordement entre le carénage amont 51 b et le flasque annulaire 52b, à une ou plusieurs vrilles radiales 60b. Dans l'exemple illustré ici, le dispositif d'injection 20b est 20 muni d'une seule vrille radiale 60b, munie d'un venturi 62b. Un espace est ménagé axialement entre le flasque annulaire 52b et la vrille radiale 60b de façon à autoriser le débattement radial de la traversée coulissante 30b. La vrille radiale 60b est reliée par son extrémité aval intérieure à un bol 70, lui-même rattaché au fond de chambre 8 par l'intermédiaire d'un 25 déflecteur 80. Grâce au remplacement, sur la traversée coulissante 30b, de la partie amont convergente par une partie amont cylindrique 31b, et grâce à la forme divergente et convexe du carénage amont 51b de la coupelle annulaire 50b, les obstacles au flux d'air F sont supprimés et l'air issu du 30 compresseur est guidé vers la vrille radiale 60b et le bol 70 sans aucun accident de forme et donc peu de pertes de charges. De plus, lorsque la traversée coulissante 30b est munie d'une vrille axiale 35b, la vrille axiale 35b a le même effet sur la carburation que la vrille radiale disposée en amont du venturi 62b du dispositif d'injection selon l'art antérieur. Elle 35 permet par ailleurs de créer un film d'air le long de la paroi intérieure du venturi 62b qui empêche la formation de coke sur le venturi. L'ensemble 2903170 8 des améliorations apportées au dispositif d'injection 20b permet d'améliorer son alimentation en air et en plus d'éviter la formation de coke. Le film anti-coke issu de la vrille axiale 35b peut-être remplacé ou son effet peut être accru en ménageant, comme illustré à la figure 3, 5 une rangée d'orifices 36b sur l'extrémité radialement interne du flasque annulaire 33b de la traversée coulissante 30b. Ces orifices 36b sont répartis de façon régulière ou non sur toute la circonférence du flasque annulaire 33b. Leur axe est de préférence parallèle à la partie intermédiaire conique convergente 32b, tous deux étant disposés de façon 10 à ce que l'air issu de la vrille axiale 35b et des orifices 36b longe la surface intérieure du venturi 62b. De façon préférentielle mais pas uniquement, l'invention s'applique à des dispositifs d'injection pour lesquels le rayon extérieur 71 du bol 70 est suffisamment grand pour permettre son implantation 15 optimale. Plus précisément, l'invention est particulièrement adaptée à des dispositifs d'injection ayant un rayon extérieur 71 de bol 70 compris entre 0,5 et 0, 7 fois le rayon interne 72 de la chambre pris directement en aval du dispositif d'injection. Par ailleurs, afin que l'alimentation en air du dispositif d'injection 20 soit optimale, le rayon extérieur 71 du bol doit être compris entre 1,1 et 1,2 fois le rayon extérieur 73 de la coupelle annulaire 50b. Quand ce critère est respecté, si l'on souhaite limiter l'encombrement axial du dispositif d'injection, l'angle 74, entre le divergent du bol 70 et l'axe de symétrie Y du dispositif d'injection 20b, doit être compris entre 70 et 130 . 25 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine, le dispositif d'injection ayant une symétrie de révolution autour d'un axe (Y) et comportant, disposés d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, une traversée coulissante (30b) au centre de laquelle est positionné un injecteur (40), une coupelle annulaire (50b) maintenant axialement la traversée coulissante (30b), au moins une vrille radiale (60b) comportant un venturi (62b), et reliée par son extrémité aval à un bol (70) : caractérisé en ce que la traversée coulissante (30b) comporte, disposés de l'amont vers l'aval, une partie amont cylindrique (31b), se prolongeant en une partie intermédiaire conique convergente (32b) et se terminant en un flasque annulaire (33b) s'étendant radialement vers l'extérieur. 2. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la coupelle annulaire (50b) comporte, disposés de l'amont vers l'aval, un carénage amont profilé (51 b) se prolongeant en un flasque annulaire (52b) s'étendant radialement vers l'intérieur. 3. Dispositif d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le carénage amont profilé (51b) de la coupelle annulaire (50b) a une forme conique divergente et une paroi externe convexe. 25 4. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie amont cylindrique (31b) de la traversée coulissante (30b) comporte une face amont (34b) en biseau, la face amont 30 étant inclinée radialement vers l'intérieur. 5. Dispositif d'injection selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face amont (34b) de la traversée coulissante est inclinée selon un angle d'environ 45 par rapport à l'axe de symétrie (Y) du 35 dispositif d'injection. 2903170 10 6. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie amont cylindrique (31b) de la traversée coulissante (30b) est munie d'une vrille axiale (35b). 5 7. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flasque annulaire (33b) de la traversée coulissante (30b) a une extrémité radialement interne munie d'au moins 10 une rangée d'orifices (36b). 8. Dispositif d'injection selon la revendication 7, caractérisé en ce que les orifices de la rangée (36b) sont répartis de façon régulière sur toute la circonférence du flasque annulaire (33b). 9. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des rendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les orifices de la rangée (36b) ont un axe globalement parallèle à la partie intermédiaire conique convergente (32b) 20 de la traversée coulissante. 10. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, le bol (70) et la coupelle annulaire (50b) ayant chacun un rayon extérieur (71, respectivement 73), le rayon extérieur (71) du bol (70) est compris entre 1,1 et 1,2 fois la valeur du rayon extérieur (73) de la coupelle annulaire (50b). 11. Dispositif d'injection selon la revendication 10, caractérisé en ce que le bol (70) comporte une paroi conique divergente qui forme avec l'axe du symétrie (Y) du dispositif d'injection un angle compris entre 70 et 130 degrés. 12. Chambre de combustion comprenant une paroi interne, une 35 paroi externe, un fond de chambre caractérisée en ce qu'elle est munie 15 2903170 11 d'au moins un dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Turbomachine munie d'une chambre de combustion selon la 5 revendication 12.