Brevet FR2918716A1 — publié le 20090116

La présente invention concerne le domaine des systèmes d'injection de carburant. L'invention concerne plus particulièrement une bague de dilatation annulaire centrée sur un axe principal et apte à être montée sur un injecteur de carburant coaxial avec cette bague, cette bague présentant des trous répartis autour de cet axe principal, débouchant sur sa face amont, et permettant le passage de l'air vers la zone en aval de cette bague. Comme illustré sur la figure 5 qui représente l'état de l'art, le carburant est injecté dans une chambre de combustion 100 (par exemple dans une chambre de combustion d'une turbomachine) par un injecteur 10 qui se situe à l'extrémité de la conduite amenant ce carburant. Cet injecteur 10 est sensiblement cylindrique, et possède une bague de dilatation 220 annulaire par rapport à un axe principal A et qui entoure une partie de l'injecteur 10, cet injecteur étant coaxial avec la bague de dilatation. La bague de dilatation 220 comprend une partie cylindrique 222 axiale dont la surface radialement intérieure est en contact ou proche de la surface extérieure de l'injecteur 10. Le rôle de cette bague de dilatation 220 est de permettre un rattrapage du jeu entre l'injecteur 10 et les éléments du fond de la chambre de combustion, ce jeu étant causé par les contraintes thermiques auxquelles ces pièces sont soumises. Lors de la combustion, il peut se créer sur l'extrémité aval 12 de l'injecteur 10 des dépôts de coke dus à une combustion inadéquate du carburant. Les dépôts de coke sont indésirables car ils dégradent la pulvérisation de carburant par les injecteurs 10. Dans toute la description, on utilise les adjectifs "amont" et "aval" en relation au sens de circulation normal du carburant en sortie de l'injecteur (sauf si précisé autrement), c'est-à-dire de la gauche vers la droite sur la figure 5. Les adjectifs "intérieur" et "extérieur" sont en relation avec la proximité par rapport à l'axe principal A. Afin d'empêcher ces dépôts de se produire, la bague de dilatation 220 est percée de trous 226 orientés sensiblement axialement (c'est-à-dire dans la direction de l'axe principal A) qui permettent à de l'air de pénétrer axialement dans la zone située en aval de l'injecteur 10. Cet air pénètre donc parallèlement à la paroi latérale circonférentielle de l'injecteur dans la zone en amont de celui-ci et forme une couche ou film d'air autour de l'injecteur, ce qui permet d'empêcher que du coke se dépose sur l'extrémité aval de l'injecteur. Sur la figure 5, ces trous 226 sont percés dans la paroi radiale 224 de la bague de dilatation 220 qui prolonge radialement vers l'extérieur l'extrémité aval de la partie cylindrique 222 de cette bague. Les tests et utilisations en service effectués par la demanderesse montrent cependant qu'un tel film d'air est la source d'inconvénients. En effet, des pièces du fond de chambre de combustion sont situées immédiatement en aval de l'injecteur. Il s'agit notamment de la vrille primaire 40, et du venturi 50. Ainsi, la vrille primaire 40 est une pièce annulaire coaxiale avec l'injecteur 10, placée immédiatement en aval de la bague de dilatation 220, dont le diamètre intérieur est supérieur au diamètre de l'injecteur. Cette vrille primaire 40 est percée tout autour de sa circonférence de trous primaires 42 par lesquels l'air pénètre dans la zone située en aval de l'injecteur 10. Les trous primaires 42 sont orientés de telle sorte que leurs axes se situent dans un plan radial par rapport à l'axe principal, avec une inclinaison circonférentielle. Ainsi, l'air sortant des trous primaires 42 pénètre dans la zone en aval de l'injecteur 10 en tournant autour de l'axe principal A et en formant une vrille ou tourbillon. Immédiatement en aval de la vrille primaire 40 se situe le venturi 50, qui est une pièce annulaire coaxiale avec l'injecteur 10. Le venturi 50 possède une paroi radiale qui se prolonge vers l'aval (à son extrémité intérieure) par un convergent 52, c'est-à-dire une paroi conique qui se rapproche de l'axe principal A vers l'aval. Le convergent 52 se prolonge par un goulot 54, puis un divergent 56 qui s'évase vers l'aval. Le convergent 52 se situe donc en aval de l'injecteur 10, et se situe sensiblement dans le prolongement axial des trous 226 de la bague de dilatation 220. Les tests effectués par la demanderesse ont révélés que l'air issu des trous 226 pénètre dans la zone en aval de l'injecteur 10 (et de la bague 220) en créant des turbulences. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, ou tout au moins à les atténuer. L'invention vise à proposer une bague de dilatation telle que l'air issu des trous qui y sont percés pénètre dans la zone en aval de l'injecteur de façon homogène, et sans impacter l'extrémité aval de l'injecteur. 35 Ce but est atteint grâce au fait que la bague de dilatation comporte une fente annulaire conique convergente vers l'aval, ouverte vers l'aval, les trous débouchant dans la partie amont de cette fente, l'axe de chacun de ces trous faisant avec l'axe principal un angle strictement supérieur à l'angle que fait avec cet axe principal la génératrice du cône définissant la fente annulaire, de telle sorte que l'air sortant des trous impacte la paroi intérieure de la fente annulaire qui est la plus proche de l'axe principal. Grâce à ces dispositions, l'air sortant des trous ne pénètre pas directement dans la zone en aval de l'injecteur, mais impacte d'abord la paroi intérieure de la fente annulaire, et est ensuite redirigé le long de la fente annulaire. Ainsi, l'air sort de la fente annulaire de façon homogène (c'est-à-dire que la vitesse de l'air en sortie de la fente annulaire est sensiblement uniforme sur l'orifice de sortie de la fente annulaire, l'écoulement de l'air n'est donc pas turbulent). De plus, l'angle de la fente annulaire avec l'axe principal est tel que l'air sortant de la fente n'impacte pas la surface de l'injecteur. Ainsi, il ne se produit pas de dépôt de coke sur la surface de l'injecteur. Avantageusement, la bague de dilatation comprend une partie cylindrique autour de l'axe principal, et une paroi radiale qui prolonge radialement vers l'extérieur l'extrémité aval de cette partie cylindrique, et la fente annulaire débouche vers l'aval à l'endroit ou la partie cylindrique rejoint la paroi radiale. Avantageusement, les trous de la bague de dilatation ont par rapport à l'axe principal une inclinaison circonférentielle qui confère à l'air qui les traverse un mouvement de rotation autour de l'axe principal. Par exemple, cette inclinaison engendre une circulation d'air dans le sens horaire autour de l'axe principal dans le sens de l'écoulement du carburant. Alternativement, cette inclinaison engendre une circulation d'air dans le sens inverse du sens horaire autour de l'axe principal dans le sens de l'écoulement du carburant. L'invention vise également à proposer un système d'injection comportant une bague de dilatation telle que l'air issu des trous de cette bague n'occasionne pas de dépôt de coke sur l'extrémité aval de l'injecteur, et n'occasionne pas de dépôt de coke sur le convergent du venturi, de tels dépôts de coke étant indésirables car ils dégradent la pulvérisation de carburant par les injecteurs. Ce but est atteint grâce au fait que l'air sortant de la fente annulaire n'impacte pas l'extrémité aval de l'injecteur et sort de la fente annulaire dans une direction sensiblement parallèle à la direction d'écoulement de l'air sortant de la vrille primaire, de telle sorte que ces deux flux d'air ne se mélangent pas (ou du moins seulement plus en aval). Grâce à ces dispositions, outre le fait que l'air sorte de la fente 5 annulaire de façon homogène, cet air n'entraîne pas de dépôt de coke sur la surface de l'extrémité de l'injecteur, et cet air ne perturbe pas l'écoulement de l'air sortant de la vrille primaire. Ainsi, il ne se produit pas de dépôt de coke sur le convergent du venturi. Avantageusement, la génératrice du cône définissant la fente 10 annulaire de la bague de dilatation fait avec l'axe principal un angle égal ou supérieur à l'angle que fait le convergent du venturi avec cet axe principal, de telle sorte que l'air sortant de la fente annulaire n'impacte pas le convergent du venturi. Ainsi, la probabilité qu'il se forme un dépôt de coke sur le convergent 15 du venturi est encore diminuée. En conséquence, la chambre de combustion peut fonctionner avec des débits d'injection de carburant plus faibles (limite d'extinction plus basse). Dans le cas d'un avion muni de moteurs (turbomachines) avec de telles chambres de combustion, il y a un meilleur fonctionnement de la 20 chambre de combustion aux faibles vitesses de l'avion. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : 25 la figure 1 est une coupe d'un système d'injection d'une chambre de combustion comportant une bague de dilatation selon l'invention, la figure 2 est une vue en perspective de la bague d'injection selon l'invention, 30 la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la bague d'injection selon l'invention, la figure 4 est une coupe transversale d'un autre mode de réalisation de la bague d'injection selon l'invention, la figure 5 est un système d'injection d'une chambre de 35 combustion comportant une bague de dilatation selon l'état de la technique. La figure 1 illustre un système d'injection d'une chambre de combustion 100 de turbomachine. Ce système d'injection est identique à celui représenté sur la figure 5, à l'exception de la bague de dilatation. Le carburant est injecté dans une chambre de combustion 100 (par exemple dans une chambre de combustion d'une turbomachine) par un injecteur 10. Cet injecteur 10 est sensiblement cylindrique, et possède une bague de dilatation 20 annulaire par rapport à un axe principal A et qui entoure une partie de l'injecteur 10, cet injecteur étant coaxial avec la bague de dilatation. La bague de dilatation 20 comporte une partie cylindrique 22 axiale dont la surface radialement intérieure est en contact ou presque de la surface extérieure de l'injecteur 10. La bague de dilatation 20 comporte en amont de la partie cylindrique 22 une collerette 21 conique qui prolonge cette partie cylindrique en s'évasant radialement vers l'amont. La partie cylindrique 22 et la collerette 21 ont une épaisseur sensiblement constante. La surface intérieure de la partie cylindrique 22 longe l'injecteur 10 jusqu'à l'extrémité aval 12 de cet injecteur, c'est-à-dire l'extrémité de l'injecteur 10 d'où le carburant est injecté vers la chambre de combustion 100 située en aval de l'injecteur. L'extrémité aval de la partie cylindrique 22 de la bague de dilatation 20 est soit légèrement en amont soit aligné avec l'extrémité aval 12 de l'injecteur 10. L'extrémité aval de la partie cylindrique 22 se prolonge radialement vers l'extérieur par une paroi radiale 24, de telle sorte que la face intérieure de la partie cylindrique 22 et la face aval de la paroi radiale 24 forment sensiblement un angle droit. La paroi radiale 24 a une épaisseur sensiblement constante. Du côté amont de la paroi radiale 24, à l'endroit où cette paroi radiale rejoint la partie cylindrique 24, la bague de dilatation 20 comporte un renflement annulaire 30 ayant sensiblement la forme d'un tore. Ainsi, la face amont de la paroi radiale 24 se prolonge vers l'amont par la surface du renflement annulaire 30, cette surface rejoignant la face extérieure de la partie cylindrique 22. Ainsi, en coupe longitudinale comme illustré sur la figure 1, la ligne de la face amont de la paroi radiale 24 est perpendiculaire à l'axe principal A, et se prolonge à angle droit vers l'amont par la ligne de la surface du renflement annulaire 30, cette ligne suivant sensiblement un quart de cercle jusqu'à la ligne de la face extérieure de la partie cylindrique 22. La ligne de la surface du renflement annulaire 30 rejoint la ligne de la face extérieure de la partie cylindrique 22 en formant un angle droit. Selon les modes de réalisations, les transitions entre la surface du renflement annulaire 30 et la face amont de la paroi radiale 24 ou la face extérieure de la partie cylindrique 22 peuvent également se faire avec un arrondi. Les figures 2 et 3 détaillent la structure de la bague de dilatation 20. Le renflement annulaire 30 est creusé d'une fente annulaire 32 conique convergente vers l'aval, et ouverte à son extrémité aval 34. La fente annulaire 32 forme donc une cavité continue. Cette fente annulaire 32 est délimitée par une paroi intérieure 38, une paroi extérieure en regard de la paroi intérieure 38, et une paroi sensiblement torique (ayant la forme d'un demi-tore ayant pour axe de révolution l'axe principal A, et coupé selon un plan sensiblement perpendiculaire à son axe de révolution). Les parois intérieure 38 et extérieure de la fente annulaire 32 sont sensiblement parallèles et sont jointes par cette paroi sensiblement torique. Dans la partie amont de la fente annulaire 32, des trous 26 rectilignes répartis autour de l'axe principal A débouchent d'un côté sur la paroi sensiblement torique, de l'autre côté sur la surface du renflement annulaire 30. Les trous 26 peuvent être des lumières. L'axe de chacun des trous 26 coupe l'axe principal A. Les trous 26 ne sont pas situés dans le prolongement de la fente annulaire 32, c'est à dire que l'axe de chacun de ces trous n'est pas parallèle avec la génératrice du cône définissant la fente annulaire 32. De plus l'axe de chacun des trous 26 fait avec l'axe principal A un angle strictement supérieur à l'angle que fait avec cet axe principal la génératrice du cône définissant la fente annulaire 32, de telle sorte que l'air (qui vient de l'extérieur de la chambre de combustion) sortant des trous 26 impacte la paroi intérieure 38 de la fente annulaire 32. Le lieu d'impact sur la paroi intérieure 38 de l'air sortant des trous 26 est typiquement dans le premier tiers amont de la fente annulaire 32. Ainsi, après son impact sur la paroi intérieure 38, l'air est redirigé le long de la fente annulaire 32, et sort de celle-ci de façon homogène. Typiquement, les trous 26 ont un diamètre compris entre 0.8 et 1.5 mm, de façon à ce que l'air émergeant de ces trous dans la fente annulaire 32 ait un débit et une vitesse d'écoulement qui ait pour conséquence une meilleure homogénéité de l'air en sortie de la fente annulaire 32. Typiquement, le nombre des trous 26 est compris entre 10 et 20. Typiquement, la hauteur de la fente (distance entre la paroi intérieure 38 et la paroi extérieure) est comprise entre 1,5 et 3 mm. La longueur de la fente est comprise entre 2 à 3 fois sa hauteur. De par la position alignée ou légèrement en retrait de la bague de dilatation 26 par rapport à l'extrémité 12 de l'injecteur 10, l'air n'impacte pas cette extrémité 12, ce qui évite les dépôts de coke sur celle-ci. La figure 4 est une coupe transversale au niveau de trous 26 d'une bague de dilatation 20 selon un autre mode de réalisation de l'invention. Les trous 26 comportent une inclinaison circonférentielle, c'est-à-dire que l'axe de chacun des trous 26 ne coupe pas l'axe principal A. Typiquement, l'angle d'inclinaison circonférentielle des trous 26 est compris entre 20 et 45 (en valeur absolue), c'est-à-dire que les trous 26 ainsi inclinés engendrent une circulation d'air dans le sens horaire ou dans le sens inverse du sens horaire autour de l'axe principal A dans le sens de l'écoulement du carburant. Sur la figure 4, cette circulation d'air est engendrée dans le sens horaire. Sur les figures 1 à 4, l'extrémité aval de la paroi intérieure 38 de la fente annulaire 32 et l'extrémité aval de la face intérieure de la paroi cylindrique 22 se rejoignent sensiblement en un point. Alternativement, la fente annulaire 32 peut avoir un rayon plus grand (c'est-à-dire être plus éloignée de l'axe principal A), le renflement annulaire 30 étant décalé vers l'extérieur. Dans ce cas, l'extrémité aval de la paroi intérieure 38 de la fente annulaire 32 et l'extrémité aval de la face intérieure de la paroi cylindrique 22 ne se rejoignent pas au niveau de la face aval de la paroi radiale 24, et sont jointes par une partie de cette face aval. Comme illustré sur la figure 1, des pièces du fond de chambre de combustion sont situées immédiatement en aval de l'injecteur 10 et de la bague de dilatation 20. Il s'agit notamment de la vrille primaire 40, et du venturi 50. Ainsi, la vrille primaire 40 est une pièce annulaire coaxiale avec l'injecteur 10, placée immédiatement en aval de la bague de dilatation 20, dont le diamètre intérieur est supérieur au diamètre de l'injecteur 10. Cette vrille primaire 40 est percée tout autour de sa circonférence de trous primaires 42 par lesquels l'air pénètre dans la zone située en aval de l'injecteur 10. Les trous primaires 42 sont orientés de telle sorte que leurs axes se situent dans un plan axial par rapport à l'axe principal, avec une inclinaison circonférentielle. Ainsi, l'air sortant des trous primaires 42 pénètre dans la zone en aval de l'injecteur 10 en tournant autour de l'axe principal A et en formant une vrille ou tourbillon. Selon l'inclinaison circonférentielle des trous 26 de la fente annulaire 32, l'air passé par ces trous 26 sort de la fente annulaire 32 en tournant dans le même sens ou dans le sens inverse de l'air sortant des trous primaires 42. Afin de ne pas créer de turbulences, il est préférable que l'air sorte de la fente annulaire 32 en tournant dans le même sens que l'air sortant des trous primaires 42. Dans tous les cas (inclinaison circonférentielle nulle ou non des trous 26 de la fente annulaire), l'angle que fait la génératrice du cône définissant la fente annulaire 32 avec l'axe principal A est tel que l'air passé par les trous 26 et l'air passé par les trous primaires 42 ne se mélangent pas, ou du moins pas tout de suite. Immédiatement en aval de la vrille primaire 40 se situe le venturi 50, qui est une pièce annulaire coaxiale avec l'injecteur 10. Le venturi 50 possède une paroi radiale qui se prolonge vers l'aval à son extrémité intérieure par un convergent 52, qui est une paroi conique qui se rapproche de l'axe principal A vers l'aval. Le convergent 52 se prolonge par un goulot 54, puis un divergent 56 qui s'évase vers l'aval. Le convergent 52 se situe donc en aval de l'injecteur 10. L'angle que fait la génératrice du cône définissant la fente annulaire 32 avec l'axe principal A est égal ou supérieur à l'angle que fait le convergent du venturi avec cet axe principal A, de telle sorte que l'air passé par les trous 26 de la fente annulaire 32 n'impacte pas le convergent 52. Ainsi, il ne se produit pas de dépôt de coke sur le convergent du venturi. En effet, puisqu'il n'y a pas d'impact d'air (éventuellement mélangé à du carburant) directement sur le convergent 52, il ne se produit pas de turbulence à proximité de la surface de ce convergent, donc pas de zone morte où l'air a une vitesse nulle, et donc pas de formation de coke sur la surface du convergent 52. L'inclinaison de la fente annulaire 32 est donc tributaire de celle du convergent 52 du venturi. L'angle que fait la génératrice du cône définissant la fente annulaire 32 avec l'axe principal A est typiquement compris entre 30 et 60 . 5 L'invention a été décrite dans le cas d'un système d'injection d'une chambre de combustion d'une turbomachine. Cependant la bague de dilatation selon l'invention pourrait être utilisée avec n'importe quel injecteur sur lequel elle peut être montée.5 REVENDICATIONS 1. Bague de dilatation (20) annulaire centrée sur un axe principal (A) et apte à être montée sur un injecteur (10) de carburant coaxial avec ladite bague, cette bague présentant des trous (26) répartis autour de cet axe principal, débouchant sur sa face amont, et permettant le passage de l'air vers la zone en aval de ladite bague (20), caractérisée en ce qu'elle comporte une fente annulaire (30) conique convergente vers l'aval, ouverte vers l'aval, lesdits trous débouchant dans la partie amont de ladite fente (30), l'axe de chacun de ces trous (26) faisant avec l'axe principal (A) un angle strictement supérieur à l'angle que fait avec cet axe principal la génératrice du cône définissant ladite fente annulaire (30), de telle sorte que l'air sortant desdits trous (26) impacte la paroi intérieure (38) de la fente annulaire qui est la plus proche de l'axe principal. 2. Bague de dilatation (20) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie cylindrique (22) autour dudit axe principal (A), et une paroi radiale (24) qui prolonge radialement vers l'extérieur l'extrémité aval de cette partie cylindrique, et en ce que ladite fente annulaire (32) débouche vers l'aval à l'endroit ou ladite partie cylindrique (22) rejoint ladite paroi radiale (24). 3. Bague de dilatation (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les trous (26) ont par rapport audit axe principal (A) une inclinaison circonférentielle qui confère à l'air qui les traverse un mouvement de rotation autour de l'axe principal. 4. Bague de dilatation (20) selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison circonférentielle desdits trous (26) est compris entre 20 et 45 par rapport à une direction radiale. 5. Bague de dilatation (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits trous (26) ont un 30 diamètre compris entre 0.8 et 1. 6. Bague de dilatation (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le nombre desdits trous (26) est compris entre 10 et 20. 7. Bague de dilatation (20) selon l'une quelconque des 35 revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la hauteur de ladite fente annulaire (32) est comprise entre 1,5 et 3 mIl 8. Bague de dilatation (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le lieu d'impact de l'air sortant desdits trous (26) de la bague sur la paroi intérieure (38) de la fente annulaire (32) se situe dans le premier tiers amont de la fente annulaire. 9. Système d'injection comprenant un injecteur (10) de carburant, caractérisé en ce qu'il comprend une bague de dilatation (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit injecteur (10) étant coaxial avec ladite bague. 10. Système d'injection selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'air sortant de ladite fente annulaire (32) n'impacte pas l'extrémité aval (12) dudit injecteur (10). 11. Système d'injection selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend une vrille primaire (40) coaxiale avec ladite bague, placée en aval dudit injecteur (10) et possédant des trous primaires (42) par lesquels l'air pénètre dans la zone située en aval dudit injecteur, et en ce que l'air sort de la fente annulaire (32) dans une direction sensiblement parallèle à la direction d'écoulement de l'air sortant de la vrille primaire, de telle sorte que ces deux flux d'air ne se mélangent pas. 12. Système d'injection selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un venturi (50) placé en aval de ladite vrille primaire (40) et possédant un convergent (52) qui converge vers l'aval, et en ce que la génératrice du cône définissant ladite fente annulaire (32) fait avec ledit axe principal (A) un angle égal ou supérieur à l'angle que fait ledit convergent (52) du venturi avec cet axe principal, de telle sorte que l'air sortant de ladite fente annulaire (32) n'impacte pas le convergent du venturi. 13. Chambre de combustion munie d'un système d'injection selon l'une quelconque des revendications 9 à 12. 14. Turbomachine comportant une chambre de combustion selon la revendication 13.