Brevet FR2925146A1 — publié le 20090619

Système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne un système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Un système d'injection de ce type comprend en général un injecteur de carburant et des vrilles primaire et secondaire qui sont disposées en aval de l'injecteur, coaxialement à celui-ci, et qui délimitent chacune un flux d'air radial en aval de l'injection de carburant afin de réaliser le mélange d'air et de carburant destiné à être injecté puis brûlé dans la chambre de combustion. Les écoulements d'air issus des deux vrilles sont délimités par un venturi intercalé entre les deux vrilles et un bol de forme tronconique qui est monté en aval des vrilles et qui accélèrent l'écoulement, du mélange air/carburant vers la chambre de combustion Le venturi comporte une surface intérieure présentant un étranglement ou un rétrécissement et délimitant une chambre de prémélange dans laquelle sont mélangés une partie du carburant éjecté par l'injecteur et le flux d'air délivré par la vrille primaire On a déjà constaté le dépôt de suie et la formation de coke sur cette surface intérieure du venturi, ce qui entraîne de nombreux inconvénients : - les dépôts de suie et de coke peuvent former des points chauds qui réduisent la durée de vie du venturi, - ces dépôts peuvent également perturber l'écoulement d'air à l'intérieur du 25 venturi, l'injection de carburant, et le mélange du carburant avec le flux d'air provenant de la vrille primaire, et - la présence de coke et de suie augmente également la production de gaz nocifs qui sont rejetés à l'atmosphère. La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution 30 simple, efficace et économique à ces problèmes de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant un injecteur de carburant et un venturi disposé en aval de l'injecteur, coaxialement à celui-ci, le venturi comportant une surface intérieure délimitant une chambre de prémélange dans laquelle sont mélangés du carburant et un flux d'air provenant d'une enceinte externe et traversant une vrille primaire située en amont du venturi, caractérisé en ce que le venturi comporte une cavité annulaire interne de circulation d'air, cette cavité étant reliée par des conduits d'entrée d'air à l'enceinte externe et par des conduits de sortie d'air à la chambre de prémélange, les conduits de sortie d'air débouchant sur la surface intérieure du venturi pour empêcher le dépôt de suie et la formation de coke sur cette surface. Selon l'invention, un débit d'air provenant d'une enceinte externe circule dans la cavité interne du venturi puis est injecté dans la chambre de prémélange, à travers des conduits de sortie d'air débouchant sur la surface intérieure du venturi, pour former un film d'air a proximité de cette surface s'opposant au dépôt de suie et à la formation de coke sur cette surface. Le débit d'air injecté dans la chambre de prémélange est suffisant pour éviter que le mélange air/carburant ne vienne au contact de la surface intérieure du venturi, mais est également suffisamment faible pour ne pas gêner l'écoulement de l'air et l'injection de carburant à l'intérieur du venturi et pour ne pas provoquer de décollement de flux en sortie du venturi. Le débit d'air circulant dans la cavité interne du venturi représente environ 0,5 à 10/0 du débit d'air alimentant le système d'injection. Selon une autre caractéristique de l'invention, le venturi comprend à son extrémité amont un rebord annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur et séparant la vrille primaire d'une vrille secondaire de passage d'un second flux d'air, la cavité annulaire s'étendant jusque dans le rebord du venturi. La cavité annulaire a dans ce cas en section une forme sensiblement en L. Selon un mode de réalisation de l'invention, le venturi est formé de deux pièces annulaires à section sensiblement en forme de L qui sont engagées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre et qui sont Fixées l'une à l'autre par brasage ou soudage, la première et la seconde pièce pièces délimitant entre elles la cavité annulaire de circulation d'air. La première pièce s'étend en amont et à l'intérieur de la seconde pièce et comporte une paroi annulaire amont sensiblement radiale qui est reliée à sa périphérie interne à une paroi aval sensiblement cylindrique dans laquelle sont formés les conduits de sortie d'air. La seconde pièce comporte une paroi annulaire amont sensiblement radiale qui est reliée à sa périphérie interne à une paroi aval sensiblement cylindrique, la paroi radiale étant fixée à sa périphérie externe à la périphérie externe de la paroi radiale de la première pièce, et sa paroi cylindrique étant fixée à son extrémité aval à l'extrémité aval de la paroi cylindrique de la première pièce. Au moins une partie des conduits d'entrée d'air peuvent s'étendre sensiblement radialement par rapport à l'axe de l'injecteur et être formés à la périphérie externe de la paroi radiale d'une ou de chaque pièce. L'air provenant de l'enceinte externe passe alors radialement de l'extérieur vers l'intérieur directement à l'intérieur de la cavité interne du venturi. En variante ou en caractéristiques additionnelles, au moins une partie des conduits d'entrée d'air s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de l'injecteur et sont formés à travers des aubages de la vrille secondaire et la paroi radiale de la seconde pièce. Dans ce cas, de l'air provenant de l'enceinte externe circule axialement d'aval en amont dans les conduits formés dans les aubages de la vrille secondaire et dans la paroi radiale de la seconde pièce jusque dans la cavité interne du venturi. Selon une autre caractéristique de l'invention, les conduits de sortie d'air sont inclinés en direction axiale et circonférentielle par rapport à l'axe de l'injecteur, dans le même sens que les aubages de la vrille primaire, de façon à ce que l'air sortant de ces conduits ne perturbe pas l'écoulement d'air délivré par la vrille primaire et ne vienne pas impacter sur la tête de l'injecteur. L'invention permet donc d'empêcher la formation de coke sur le venturi sans modifier l'écoulement d'air et l'injection de carburant à l'intérieur du venturi. L'angle d'inclinaison axiale de chaque conduit de sortie formé entre l'axe de ce conduit et l'axe de l'injecteur est par exemple compris entre 10 et 40° environ, cet angle étant mesuré dans un plan passant: par l'axe de l'injecteur. L'angle d'inclinaison circonférentielle de chaque conduit de sortie formé entre l'axe de ce conduit et un plan passant par l'axe de l'injecteur est par exemple compris entre 50 et 75° environ, cet angle étant mesuré dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'injecteur. Préférentiellement, les débouchés des conduits de sortie d'air sont régulièrement disposés autour de l'axe de l'injecteur et sont répartis en une, deux, trois ou quatre rangées annulaires espacées axialement les unes des autres. Les inclinaisons en direction axiale et circonférentielle des conduits d'air peuvent varier d'une rangée sur l'autre. Le système d'injection comprend par exemple entre 10 et 30 conduits d'entrée d'air et entre 10 et 30 conduits de sortie d'air. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant. un système d'injection tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne encore un venturi pour un système d'injection tel que décrit précédemment, comprenant une surface intérieure présentant un col, caractérisé en ce qu'il est formé de deux pièces annulaires à section sensiblement en L qui sont fixées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre et qui délimitent entre elles une cavité interne de circulation d'air, la pièce annulaire interne comportant une paroi cylindrique présentant des conduits de sortie d'air reliés à une de leurs extrémités à la cavité interne et débouchant à l'autre de leurs extrémités sur la surface intérieure, et la paroi annulaire externe comportant une paroi annulaire radiale présentant à sa périphérie externe des conduits d'entrée d'air reliés à une de leurs extrémités à la cavité interne. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'un diffuseur et d'une chambre de combustion d'une turbomachine ; - la figure 2 est une vue partielle agrandie de la figure 1 et représente un système d'injection d'un mélange d'air et de carburant selon la technique antérieure ; - la figure 3 est une vue schématique correspondant à la figure 2 et représente un mode de réalisation du système d'injection selon l'invention ; - la figure 4 est une vue agrandie du détail 14 de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique correspondant à la figure 2 et représente une variante de réalisation du système d'injection selon l'invention ; - la figure 6 est une vue agrandie du détail I6 de la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 4, à plus grande échelle. La figure 1 représente une chambre annulaire de combustion 10 d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cette chambre étant agencée en sortie d'un diffuseur 12, lui même situé en sortie d'un compresseur (non représenté). La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 14 et une paroi de révolution externe 16, reliées en amont à une paroi annulaire 18 de fond de chambre et fixées en aval par des viroles tronconiques interne 20 et externe 22 respectivement sur un voile tronconique interne 24 du diffuseur, et sur un carter externe 26 de la chambre, l'extrémité amont de ce carter 26 étant reliée à un voile tronconique externe 28 du diffuseur. Un carénage annulaire 29 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 et 18 de la chambre et comprend des orifices de passage d'air alignés avec des ouvertures 30 de la paroi 18 de fond de chambre dans lesquelles sont montés des systèmes 32 d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la chambre, l'air provenant du diffuseur 12 et le carburant étant amené par des injecteurs (non représentés) fixés sur le carter externe 26 et régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre. Chaque injecteur comprend une tête 36 d'injection de carburant alignée sur l'axe 38 de l'ouverture 30 correspondante. Une partie du débit d'air 38 fourni par le compresseur et sortant du diffuseur 12 alimente des conduits annulaires interne 40 et externe 42 de contournement de la chambre de combustion 10 (flèches 44). L'autre partie du débit d'air pénètre dans l'enceinte annulaire 46 délimitée par le carénage 29, passe dans le système d'injection 32 (flèches 48 et 50), et est ensuite mélangée au carburant amené par l'injecteur et pulvérisée dans la chambre de combustion. Le système d'injection 32, mieux visible en figure 2, comporte deux vrilles de turbulence amont 52 et aval 54 coaxiales, qui sont séparées l'une de l'autre pas un venturi 56 et qui sont reliées en amont à des moyens 58 de centrage et de guidage de la tête 36 de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur 60 qui est monté axialement dans l'ouverture 30 de la paroi 18 de fond de chambre. Les vrilles 52, 54 comprennent chacune une pluralité d'aubages s'étendant radialement autour de l'axe de la vrille et régulièrement répartis autour de cet axe pour délivrer un flux d'air 48, 50 tourbillonnant en aval de la tête d'injection 36. Les moyens 58 de guidage de la tête d'injection 36 de l'injecteur comprennent une bague 62 traversée axialement par la tête d'injection 36 et montée radialement coulissante dans une douille 64 fixée sur les aubages de la vrille primaire 52. Le bol mélangeur 60 a une paroi sensiblement tronconique évasée en aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 66, s'étendant vers l'amont et monté axialement dans l'ouverture 30 de la paroi 18 de fond de chambre avec un déflecteur annulaire 68. L'extrémité amont de la paroi tronconique 60 du bol est reliée à une pièce annulaire intermédiaire 70 fixée sur les aubages de la vrille secondaire 54. Le venturi 56 a en section une forme sensiblement en L et comprend à son extrémité amont un rebord annulaire 71 sensiblement radial qui est intercalé axialement entre les deux vrilles 52, 54 et qui délimite axialement avec la douille 64 située en amont la veine annulaire de passage du flux d'air 48 dans la vrille primaire 52, et avec la pièce annulaire 70 située en aval la veine annulaire de passage du flux d'air 50 dans la vrille secondaire 54. Le venturi 56 s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille secondaire 54 et sépare les écoulements d'air issus des vrilles amont 52 et aval 54. Le venturi 56 comprend une surface cylindrique intérieure 72 présentant un col et délimitant une chambre de prémélange 74 dans laquelle une partie du carburant éjecté se mélange au flux d'air 48 délivré par la vrille primaire 52. Ce prémélange air/carburant se mélange ensuite en aval du venturi au flux d'air 50 provenant de la vrille secondaire 54 pour former un cône de carburant pulvérisé à l'intérieur de la chambre. En fonctionnement, le prémélange air/carburant formé dans la chambre 74 peut venir au contact de la surface intérieure 72 du venturi et entraîner le dépôt de suie et la formation de coke sur cette surface, susceptibles de réduire la durée de vie du venturi 56. L'invention permet de remédier à ce problème grâce à la formation d'un film d'air sur la surface intérieure 72 du venturi qui s'oppose au dépôt de coke et de suie sur cette surface. Ce résultat est obtenu au moyen d'un venturi creux comportant une cavité annulaire interne de circulation d'air, cette cavité étant alimentée par de l'air provenant de l'enceinte externe 46 et étant reliée à des conduits de sortie d'air débouchant sur la surface intérieure 72 du venturi. Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 3 et 4, le 30 venturi 56 est formé de deux pièces annulaires 80, 82 à section sensiblement en L qui sont fixées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre et qui délimitent entre elles la cavité annulaire 84 de circulation d'air. Cette cavité 84 a également en section une forme sensiblement en L et comprend une portion cylindrique qui s'étend axialement à l'intérieur du venturi, sur sensiblement toute sa dimension axiale, et qui est reliée à son extrémité amont à une portion radiale qui s'étend à l'intérieur clu rebord du venturi, sur sensiblement toute sa dimension radiale. Chaque pièce 80, 82 comprend une paroi annulaire amont 86 sensiblement radiale qui est reliée à sa périphérie interne à une paroi aval 88 sensiblement cylindrique. Les parois radiales 86 des pièces 80, 82 forment le rebord annulaire 71 du venturi. La pièce 82 située en aval et à l'extérieur comprend en outre un rebord cylindrique 90 qui s'étend vers l'amont depuis la périphérie externe de la paroi radiale 86 et qui est fixé par brasage ou soudage à la périphérie externe de la paroi radiale 86 de l'autre pièce 80. Ce rebord cylindrique 88 comprend des orifices ou des conduits 92 d'entrée d'air sensiblement radiaux qui assurent la communication fluidique entre l'enceinte 46 et la cavité interne 84 du venturi. Le système d'injection 32 comprend par exemple entre 10 et 30 conduits 92 qui sont régulièrement répartis autour de l'axe du venturi. L'extrémité aval de la paroi cylindrique 88 de la pièce 82 est fixée par brasage ou soudage à l'extrémité aval de la paroi cylindrique de l'autre pièce. La paroi cylindrique 88 de la pièce 80 située en amont et à l'intérieur comprend des orifices ou des conduits 94 de sortie d'air qui débouchent à une de leurs extrémités sur la surface intérieure 72 du venturi et à l'autre de leurs extrémités dans la cavité interne 84, pour assurer la communication fluidique entre cette cavité 84 et la chambre de prémélange 74. Le système d'injection 32 comprend par exemple entre 10 et 30 conduits 94 qui sont répartis en rangées annulaires, par exemple au nombre de trois dans l'exemple représenté, qui sont espacées axialement les unes des autres. Les conduits d'air 94 de chaque rangée sont régulièrement espacés les uns des autres autour de l'axe de la tête d'injection. A titre d'exemple, l'angle formé entre l'axe de chaque conduit de sortie 94 et l'axe de la tête d'injection 36 est compris entre 10 et 40° environ, cet angle étant mesuré dans un plan passant par l'axe de la tête d'injection. L'angle formé entre l'axe de chaque conduit de sortie 94 et un plan passant par l'axe de la tête d'injection est compris entre 50 et 75° environ, cet angle étant mesuré dans un plan perpendiculaire à l'axe de la tête d'injection. Les conduits 94 d'une même rangée annulaire de conduits ont des inclinaisons identiques en directions axiale et circonférentielle mais qui peuvent être différentes des inclinaisons des conduits de la ou de chaque autre rangée. L'inclinaison en direction axiale des conduits 94 de la première rangée située en amont peut par exemple être plus faible que celle des conduits de la troisième rangée située en aval (figure 4). Les figures 5 à 7 représentent une variante de réalisation de l'invention qui comporte, en plus des caractéristiques décrites en référence aux figures 3 et 4, des conduits supplémentaires 96 d'entrée d'air dans la cavité interne 84 du venturi. Ces conduits 96 s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe du venturi et relient également la cavité interne 84 du venturi à l'enceinte externe 46. Dans l'exemple représenté, ces conduits 96 s'étendent à travers la paroi radiale de la pièce 82 située en aval et à l'extérieur, à travers au moins une partie des aubages de la vrille secondaire 54, et à travers l'élément annulaire 70. Les conduits 96 débouchent à leurs extrémités amont dans la cavité interne 84 et à leurs extrémités aval dans un espace annulaire délimité par l'élément 70 et le bol 60, cet espace annulaire communiquant avec l'enceinte externe 46. Le systèrne d'injection comprend par exemple entre 10 et 30 conduits 96. Comme cela est représenté en figure 7, les conduits 96 peuvent avoir une section de forme circulaire ou oblongue. Les conduits 92 et 94 décrits plus haut peuvent également avoir en section une forme circulaire ou oblongue. Les dimensions de ces conduits 92, 94, 96 sont notamment déterminées en fonction du débit de circulation d'air à l'intérieur de la cavité. Ils ont typiquement un diamètre de 1 à 2mm environ. Le débit d'air circulant à l'intérieur de la cavité 84 représente environ 0,5 à 1% du débit d'air alimentant le système d'injection 32. Dans encore une autre variante de réalisation non représentée, la cavité interne 84 est reliée à l'enceinte externe 46 uniquement par les conduits axiaux 96 d'entrée d'air. REVENDICATIONS 1. Système d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion (10) de turbomachine, comprenant un injecteur (36) de carburant et un venturi (56) disposé en aval de l'injecteur, coaxialement à celui-ci, le venturi comportant une surface intérieure (72) délimitant une chambre de prémélange (74) dans laquelle sont mélangés du carburant et un flux d'air provenant d'une enceinte externe (46) et traversant une vrille primaire (52) située en amont du venturi, caractérisé en ce que le venturi comporte une cavité annulaire interne (84) de circulation d'air, cette cavité étant reliée par des conduits (92, 96) d'entrée d'air à l'enceinte externe et par des conduits (94) de sortie d'air à la chambre de prémélange, les conduits de sortie d'air débouchant sur la surface intérieure du venturi pour empêcher le dépôt de suie et la formation de coke sur cette surface. 2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le venturi (56) comprend à son extrémité amont un rebord annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur et séparant la vrille primaire (52) d'une vrille secondaire (54) de passage d'un second flux d'air, la cavité annulaire (84) s'étendant jusque dans le rebord du venturi. 3. Système d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité annulaire (84) du venturi a en section une forme sensiblement en L. 4. Système d'injection selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le venturi (56) est formé de deux pièces annulaires (80, 82) à section sensiblement en forme de L qui sont engagées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre et qui sont fixées l'une à l'autre par brasage ou soudage, la première et la seconde pièces délimitant entre elles la cavité annulaire (84) de circulation d'air. 5. Système d'injection selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première pièce (80) s'étend en amont et à l'intérieur de la seconde pièce,cette première pièce comportant une paroi annulaire amont (86) sensiblement radiale qui est reliée à sa périphérie interne à une paroi aval (88) sensiblement cylindrique dans laquelle sont formés les conduits (94) de sortie d'air. 6. Système d'injection selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde pièce (82) comporte une paroi annulaire amont (84) sensiblement radiale qui est reliée à sa périphérie interne à une paroi aval (86) sensiblement cylindrique, la paroi radiale étant fixée à sa périphérie externe à la périphérie externe de la paroi radiale de la première pièce (80), et sa paroi cylindrique étant fixée à son extrémité aval à l'extrémité aval de la paroi cylindrique de la première pièce. 7. Système d'injection selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie des conduits (92) d'entrée d'air s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe de l'injecteur et sont formés à la périphérie externe de la paroi radiale d'une ou de chaque pièce (80, 82). 8. Système d'injection selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie des conduits (96) d'entrée d'air s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de l'injecteur et sont formés à travers des aubages de la vrille secondaire (54) et la paroi radiale de la seconde pièce (82). 9. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits (94) de sortie d'air sont inclinés en direction axiale et circonférentielle par rapport à l'axe de l'injecteur, dans le même sens que les aubages de la vrille primaire (52). 10. Système d'injection selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison axiale de chaque conduit de sortie (94) formé entre l'axe de ce conduit et l'axe de l'injecteur est compris entre 10 et 40° environ, cet angle étant mesuré dans un plan passant par l'axe de l'injecteur. 11. Système d'injection selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison circonférentielle de chaque conduit de sortie(94) formé entre l'axe de ce conduit et un plan passant par l'axe de l'injecteur est compris entre 50 et 75° environ, cet angle étant: mesuré dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'injecteur. 12. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les débouchés des conduits (94) de sortie d'air sont régulièrement disposés autour de l'axe de l'injecteur et sont répartis en une, deux, trois ou quatre rangées annulaires espacées axialement les unes des autres. 13. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend entre 10 et 30 conduits (92, 96) d'entrée d'air et entre 10 et 30 conduits (94) de sortie d'air. 14. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un système d'injection (32) selon l'une des revendications précédentes. 15. Venturi pour un système d'injection selon l'une des revendications 1 à 13, comprenant une surface intérieure (72) présentant un col, caractérisé en ce qu'il est formé de deux pièces annulaires (80, 82) à section sensiblement en L qui sont fixées coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre et qui délimitent entre elles une cavité interne (84) de circulation d'air, la pièce annulaire interne (80) comportant une paroi cylindrique présentant des conduits (94) de sortie d'air reliés à une de leurs extrémités à la cavité interne et débouchant à l'autre de leurs extrémités sur la surface intérieure, et la paroi annulaire externe (82) comportant une paroi annulaire radiale présentant à sa périphérie externe des conduits (92, 96) d'entrée d'air reliés à une de leurs extrémités à la cavité interne.