Brevet FR2926329A1 — publié le 20090717

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et porte plus particulièrement sur l'agencement d'une bougie du type semi-conducteur montée dans une chambre de combustion. Dans un moteur à turbine à gaz, la chambre de combustion reçoit l'air du compresseur dont une partie est mélangée au carburant qui est brûlé dans la zone de combustion primaire. L'allumage est assuré par une ou deux bougies disposées en aval du système de carburation. Une autre partie de l'air contourne la zone de combustion primaire et vient se mélanger aux gaz de combustion. L'ensemble des gaz chauds est dirigé vers la turbine. Les chambres de combustion sont étudiées pour répondre à un certain nombre de spécifications impératives telles que : le rallumage en vol, la forme du profil de température, les émissions de gaz polluants ainsi que la tenue à la fois thermique et mécanique de ses différents composants. En particulier le système d'allumage doit assurer le rallumage en vol en cas d'extinction accidentelle de la chambre de combustion tout en supportant et en résistant aux contraintes thermiques auxquelles il est soumis. Ces deux conditions impliquent des dispositions difficilement compatibles. En effet le système d'injection produit une nappe de carburant pulvérisé formant un certain angle. Si ce dernier est très fermé, la bougie est en dehors du cône formé par le carburant ; cela est favorable du point de vue de la tenue thermique mais les capacités d'allumage de la chambre sont réduites. Inversement un système d'injection dont la nappe de carburant forme un cône très ouvert provoque un échauffement important de la zone de la chambre environnant la bougie en raison de l'impact du carburant sur les parois et la bougie. La tenue thermique de ces éléments s'en trouve affectée. La présente invention concerne les systèmes d'allumage dont la bougie est montée sur la chambre par l'intermédiaire d'une pièce formant adaptateur elle-même fixée sur le carter de la chambre. La bougie s'étend depuis le carter radialement vers l'intérieur de la chambre et son extrémité vient affleurer la paroi de la chambre au travers d'une ouverture ménagée dans celle-ci et formant cheminée. Un jeu latéral minimum est ménagé autour de la bougie pour autoriser les déplacements relatifs entre la chambre et le carter résultant des variations de température pendant les différentes phases de vol sans que la bougie, solidaire du carter, ne vienne buter ou s'appuyer contre les bords de l'ouverture dans la paroi de la chambre. L'ouverture dans la paroi de chambre forme une cheminée dans laquelle la bougie est glissée et une douille flottante cerclant la bougie assure l'étanchéité entre la chambre et l'espace entre celle-ci et le carter. Un exemple de ce type de montage de bougie dans une chambre de combustion avec adaptateur est représenté dans la demande de brevet EP 1.443.190. On note qu'il existe deux types de bougies d'allumage utilisées dans les chambres de combustions de moteurs à turbine à gaz : Les bougies du type � haute énergie-haute tension � dont la tension de 10 fonctionnement est de l'ordre de 20 kV et les bougies du type � haute énergie-basse tension � dont la tension de fonctionnement est de l'ordre de 2 à 3 kV. Les bougies du type � haute énergie-basse tension � comportent un matériau semi-conducteur entre leurs électrodes, de manière à ce que l'application d'une tension suffisante entre les électrodes conduise à la 15 création d'une étincelle. La durée de vie des bougies est limitée ; dans le cas des bougies � haute énergie-haute tension �, par l'usure des électrodes, et pour les bougies � haute énergie-basse tension �, par l'usure du semi-conducteur, celui-ci s'usant plus vite que les électrodes. 20 Les avantages des bougies � haute énergie-basse tension � sont, d'une part, liés à leur fonctionnement peu dépendant des conditions de la chambre de combustion et, d'autre part, à la chaîne d'allumage de plus faible d'encombrement qu'il suffit de mettre en place pour assurer leur fonctionnement. 25 Suite à des séquences d'allumage répétitif, le semi-conducteur de la bougie subit d'importantes contraintes thermiques. L'impact du carburant sur le semi-conducteur, ainsi que l'arc électrique provoquent la détérioration de celui-ci entraînant une modification de sa forme. La présente invention a pour but d'améliorer la durée de vie des bougies du type à semi-conducteur, en proposant un nouvel agencement de la bougie permettant de refroidir le semi-conducteur tout en limitant l'impact du carburant sur ce dernier. 35 L'objet de l'invention est d'aménager la forme de la douille flottante du système d'allumage et de modifier la gaine de la bougie afin de refroidir le semi-conducteur tout en limitant l'impact du carburant sur ce dernier. L'invention permet une limitation des contraintes thermiques sur le semi- 40 conducteur améliorant ainsi sa durée de vie. 30 L'invention porte sur l'agencement d'une bougie du type à semi-conducteur logée dans une gaine, montée dans une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz par l'intermédiaire d'une douille flottante permettant une reprise de dilatation selon un axe perpendiculaire à l'axe de la bougie. Cet agencement est caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de guidage d'air pour refroidir le semi-conducteur de la bougie. Selon une autre caractéristique de l'invention, la douille flottante comprend une partie cylindrique ménageant avec la bougie une cavité annulaire de circulation d'air de refroidissement. La douille comporte plus particulièrement un disque supérieur formant une collerette coopérant avec une glissière ménagée dans la cheminée. Selon une autre caractéristique de l'invention, la gaine et le semi-conducteur définissent à leur extrémité du côté de la chambre de combustion une cavité annulaire de bougie. La gaine comporte notamment des orifices au niveau de la cavité annulaire de bougie communiquant avec la cavité annulaire de la douille et des orifices sur sa surface plane. La présente demande concerne encore une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz comportant au moins une bougie dont le montage est agencé tel que présenté ci-dessus. La présente demande concerne encore un moteur à turbine à gaz, comportant au moins une bougie dont le montage est agencé tel que présenté ci-dessus. 30 On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 montre en coupe longitudinale une partie d'une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz, La figure 2 montre une bougie du type semi-conducteur de l'art antérieur 35 vue en coupe longitudinale, La figure 3 montre l'agencement de la bougie selon l'invention vue en coupe longitudinale. Comme on le voit sur la figure 1, la chambre de combustion 1 est contenue 40 dans un espace annulaire formé par un carter extérieur 3. Elle comprend25 une ou plusieurs viroles externes 7 avec des brides ou des appuis, une ou plusieurs viroles internes 8 avec brides, un fonds de chambre 9 associés à des carénages amont. Une pluralité de cannes d'injection de carburant, réparties autour de l'axe du moteur débouche dans le fond de chambre 9. Des déflecteurs 11 forment un bol autour de chaque canne d'alimentation, dévient une partie de l'air qui a pénétré dans la zone carénée en direction radiale et tourbillonnante vers le carburant pulvérisé, et assurent ainsi la formation d'un mélange de carburant avec de l'air. Une zone de combustion primaire est formée en aval du fond de chambre dans laquelle le mélange est allumé par une bougie 13 ou plusieurs réparties circon férentiellement. La figure 2 présente le schéma de principe de conception d'une bougie du type à semi-conducteur. Celle-ci se compose d'un corps métallique tubulaire constituant la gaine ou l'électrode externe 15 de la bougie et d'une électrode centrale 16. L'isolation électrique de l'électrode centrale est assurée par un manchon intercalé entre la gaine 15 et l'électrode centrale 16, non représenté sur la figure. A l'extrémité de la bougie se trouve le semi-conducteur 17 en céramique qui relie les extrémités de l'électrode centrale 16 et de la gaine 15. La paroi interne de la gaine 15 est conique en son extrémité inférieure de manière à épouser au mieux le semi-conducteur, quant à sa paroi externe, elle forme une surface plane perpendiculaire à l'axe de bougie. La gaine ainsi réalisée retient le semi-conducteur et empêche que ce dernier ne passe dans la chambre de combustion. Telle que présentée sur la figure 3, une bougie 13 du type à semi-conducteur selon la présente invention est constituée d'un corps tubulaire, constituant la gaine 30, et d'une électrode centrale 40, ayant le même axe de symétrie que la gaine 30. Les matériaux de la gaine 30 et de l'électrode centrale 40 sont choisis dans un matériau conducteur tel qu'un alliage d'acier nickel-chrome. La bougie 13 est guidée dans une cheminée 14. La cheminée 14 a été fixée sur une ouverture ménagée dans la chambre de combustion 1. Ladite cheminée 14 est de forme cylindrique et comporte en sa partie supérieure une surface plane 141 formant glissière sur laquelle porte la collerette 51 d'une douille 50. Une pièce 142, en forme de rondelle, vient brider ladite douille sur la cheminée 14. A l'extrémité de la bougie 13 on a représenté en vue écorchée le semi-conducteur 25, entre la gaine 30 et l'électrode centrale 40. La gaine 30, à son extrémité inférieure, forme une surface plane 31 perpendiculaire à l'axe de la bougie. Le semi-conducteur 25 de la bougie est interposé entre cette surface plane 31 et l'électrode centrale 40. L'extrémité du semi-conducteur 25, et la paroi interne de la gaine 30 définissent une cavité annulaire 20 de bougie. La douille flottante 50 comprend une partie de forme cylindrique, d'un diamètre supérieur à celui de la gaine 30, avec en ses deux extrémités, deux disques cerclant la bougie 13. La paroi interne de la douille 50 et la gaine 30 définissent une cavité annulaire 10 de douille. Le disque inférieur 52 ferme la cavité 10 de douille. Le disque supérieur de la douille 50 est d'un diamètre plus grand et forme une collerette 53 venant se loger dans la glissière 141-142 de la cheminée 14. La partie supérieure de la douille 50, au dessus de la collerette 53, est de forme évasée afin de diriger l'air, extérieur à la chambre de combustion, vers des orifices 53' percés à travers cette collerette, au dessus de la cavité annulaire 10. L'air circule donc au travers de la cavité annulaire 10 pour se diriger vers des orifices 33, percés dans la partie inférieure de la gaine 30 sur la paroi parallèle à l'axe de la bougie 13. Ces orifices 33 sont inclinés et débouchent dans la cavité annulaire 20. L'air présent dans la cavité annulaire 10 traverse les orifices 33 et passe dans la cavité annulaire 20, impactant ainsi le semi-conducteur 25, lui permettant de refroidir. Des orifices d'évacuation 35 sont percés, parallèlement à l'axe de la bougie, sur la surface plane 31 de la gaine 30. Ils permettent aussi d'éviter que du carburant ne se dépose sur le semi-conducteur. Sur la partie inférieure de la cheminée 14, des orifices de ventilation 142 sont percés, perpendiculairement à l'axe de la bougie. L'air venant de l'espace extérieur à la chambre de combustion participe au refroidissement de cette zone de la chambre de combustion. Ainsi l'air extérieur à la chambre de combustion peut pénétrer, par l'intermédiaire des orifices 53' dans la cavité annulaire 10 formée par l'aménagement de la douille 50. Puis, l'air passe par les orifices 33 de la gaine 30 dans la cavité annulaire 20 pour venir impacter le semi-conducteur de la bougie afin de le refroidir. Pour éviter que le carburant ne se dépose sur le semi-conducteur, des orifices 35 sont aménagés sur la partie inférieure de la gaine 30, laissant ainsi ressortir l'air.40 Selon ce mode de réalisation, les orifices 33 sont inclinés vers la gaine de la bougie et les orifices 35 sont parallèles à l'axe de la bougie. Les formes des orifices ne sont pas limitatives, ainsi, dans d'autres modes de réalisations non présentés sur les figures, les orifices 33 peuvent être perpendiculaires à l'axe de la bougie, et les orifices 35 sont inclinés, divergents afin de ne pas gêner l'arc électrique créé entre l'électrode centrale et la gaine. Revendications 1. Agencement d'une bougie (13) du type à semi-conducteur (25) dans une gaine (30), montée dans une cheminée (14) fixée sur une ouverture ménagée dans une chambre de combustion (1) de moteur à turbine à gaz par l'intermédiaire d'une douille flottante (50) permettant une reprise de dilatation selon un axe perpendiculaire à l'axe de la bougie (13), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de guidage d'air pour refroidir le semi-conducteur de la bougie. 2. Agencement d'une bougie selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la douille flottante (50) comprend une partie cylindrique (51) ménageant avec la bougie une cavité annulaire de douille (10) de circulation d'air de refroidissement. 3. Agencement d'une bougie selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la douille (50) comporte un disque supérieur (53) formant une collerette coopérant avec une glissière (141-142) ménagée dans la cheminée (14). 4. Agencement d'une bougie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la gaine (30) et le semi-conducteur (25) définissent à leur extrémité du côté de la chambre de combustion une cavité annulaire de bougie (20). 5. Agencement d'une bougie selon la revendication 4, prise en combinaison avec la revendication 2 caractérisé par le fait que la gaine (30) comporte des orifices (33) au niveau de la cavité annulaire de bougie (20) communiquant avec la cavité annulaire (10) de la douille et des orifices (35) sur sa surface plane (31). 6. Chambre de combustion comportant au moins une bougie dont le montage est agencé selon l'une des revendication 1 à 5. 7. Moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion équipée d'au moins une bougie dont le montage est agencé selon 40 l'une des revendications 1 à 5.