Brevet FR2943119A1 — publié le 20100917

Systèmes d'injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant une chambre annulaire de combustion équipée d'au moins une bougie d'allumage et de systèmes d'injection de carburant à l'intérieur de la chambre. Une chambre annulaire de combustion de turbomachine comprend deux parois de révolution coaxiales qui s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre et qui sont reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre, cette paroi de fond de chambre comportant des ouvertures de montage des systèmes d'injection précités. Les systèmes d'injection comprennent des conduits d'alimentation qui s'étendent sensiblement radialement depuis un carter externe de la chambre, et des têtes alignées axialement avec les ouvertures de la paroi de fond de chambre. La tête de chaque injecteur est équipée d'une buse d'atomisation produisant un cône de carburant dans la chambre, ce cône de carburant étant destiné à se mélanger à de l'air provenant d'un compresseur de la turbomachine pour former une nappe d'air et de carburant, sensiblement conique ou tronconique s'élargissant vers l'aval. La chambre de combustion est équipée d'au moins une ou deux bougies d'allumage qui sont destinées à amorcer la combustion du mélange d'air et de carburant dans la chambre. Chaque bougie d'allumage est montée dans un orifice de la paroi de révolution externe de la chambre et s'étend vers l'axe d'un des systèmes d'injection, pour enflammer la nappe produite par ce système d'injection, la flamme se propageant ensuite aux nappes voisines produites par les autres systèmes d'injection. En altitude, les basses pressions, les faibles températures et les variations de la viscosité du carburant, ont pour effet de réduire l'angle d'ouverture des nappes, ce qui peut gêner le rallumage de la chambre en vol. Une solution connue à ce problème consiste à dévier radialement vers l'extérieur la nappe produite par le système d'injection situé au plus près de la bougie, de façon à rapprocher cette nappe de la bougie d'allumage et ainsi favoriser le rallumage de la chambre en vol. Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante car elle ne permet pas d'améliorer la propagation de la flamme aux autres nappes. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet une turbomachine, comprenant une chambre annulaire de combustion délimitée par deux parois de révolution coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi de fond de chambre comportant des ouvertures de montage de systèmes d'injection de carburant, et au moins une bougie d'allumage montée dans un orifice de la paroi de révolution externe de la chambre et s'étendant vers l'axe d'un des systèmes d'injection, caractérisée en ce qu'au moins le système d'injection situé au plus prés de la bougie est configuré pour produire une nappe de carburant pulvérisé ayant un angle d'ouverture de plus grande valeur que celui des nappes produites par les autres systèmes d'injection, et en ce que le débit de carburant de ce système d'injection est supérieur à celui des autres systèmes d'injection. L'augmentation du débit de carburant du système d'injection situé au plus près de la bougie d'allumage permet d'augmenter localement la richesse en carburant du mélange air-carburant au niveau de cette bougie, et donc de faciliter l'inflammation de la nappe produite par le système d'injection. Au contraire de la technique antérieure où les nappes fournies par les systèmes d'injection ont toutes la même richesse en carburant, la nappe produite par le système d'injection situé au plus prés d'une bougie a selon l'invention une richesse en carburant supérieure à celle des nappes produites par les autres systèmes d'injection. La richesse du mélange air-carburant varie donc dans la chambre et est maximale au niveau de la ou de chaque bougie d'allumage. L'évasement de la nappe produite par ce système d'injection améliore de plus la propagation de la flamme aux nappes produites par les systèmes d'injection adjacents, puis à l'ensemble des nappes. La combinaison de ces caractéristiques permet d'allumer plus rapidement la chambre de combustion, en particulier lors d'un rallumage en vol. La chambre peut être équipée de deux ou trois, voire plus, bougies d'allumage. Dans ce cas, chaque système d'injection situé au plus près d'une bougie a un plus grand débit de carburant et est configuré pour produire une nappe ayant un plus grand angle d'ouverture. Le débit de carburant du ou de chaque système d'injection situé au plus près d'une bougie est avantageusement supérieur de 20 à 40% environ au débit de carburant des autres systèmes d'injection. L'angle d'ouverture de la nappe produite par le ou chaque système d'injection situé dans un plan du type précité est avantageusement compris entre 80 et 100°, celui des nappes produites par les autres systèmes d'injection étant compris entre 50 et 70° Les deux systèmes d'injection situés directement de part et d'autre du ou de chaque système d'injection situé dans un plan du type précité peuvent aussi être configurés pour produire une nappe ayant un angle d'ouverture de plus grande valeur que celui des nappes produites par les autres systèmes d'injection. La buse d'atomisation du ou de chaque système d'injection situé au plus près d'une bougie peut être configurée pour produire un cône de carburant ayant un angle d'ouverture de plus grande valeur que celui des cônes de carburant produits par les buses d'atomisation des autres systèmes d'injection. En variante ou en caractéristique complémentaire, les moyens d'alimentation en air du ou de chaque système d'injection peuvent être configurés pour produire une nappe ayant un angle d'ouverture de plus grande valeur que celui des nappes produites par les moyens d'alimentation en air des autres systèmes d'injection. Dans le cas où les moyens d'alimentation en air de chaque système d'injection comprennent au moins une vrille de turbulence s'étendant autour de l'axe de l'ouverture de la paroi de fond de chambre et définissant une veine annulaire de passage d'air dans la chambre, et un bol mélangeur de forme tronconique monté en aval de cette vrille dans l'ouverture de la paroi de fond de chambre et comportant une rangée annulaire d'orifices de passage d'air dans la chambre, la dimension axiale de la vrille et le nombre et le diamètre des orifices du bol mélangeur sont déterminés de façon à ce que le rapport de la section de la vrille sur la section des orifices du bol soit compris entre 0,8 et 1,2 pour la ou chaque système d'injection situé au plus prés d'une bougie, et entre 1,2 et 1,4 pour les autres systèmes d'injection. II a effectivement été constaté que plus le rapport précité d'un système d'injection est grand et plus l'angle d'ouverture de la nappe produite par ce système est faible. Pour que tous les systèmes d'injection aient la même perméabilité à l'air, la valeur de la somme de la section de la vrille et de la section des orifices du bol est la même pour tous les systèmes d'injection. A titre d'exemple, la dimension axiale des vrilles des systèmes d'injection peut varier entre 2,5 et 5mm, et le nombre d'orifices des bols mélangeurs des systèmes d'injection peut être compris entre 20 et 30, le diamètre de ces orifices pouvant être compris entre 1,2 et 1,4mm. 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 30 système d'injection de carburant de la chambre, - la figure 3 est une vue très schématique partielle d'une chambre de combustion de la technique antérieure, et représente des nappes de carburant pulvérisé produites par les systèmes d'injection de cette chambre ; - la figure 4 est une vue très schématique partielle d'une chambre de combustion selon l'invention, et représente des nappes de carburant produites par les systèmes d'injection de cette chambre. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une chambre annulaire de combustion 10 pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, agencée en sortie d'un diffuseur annulaire 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 brides annulaires interne 20 et externe 22 respectivement sur un voile tronconique interne 24 du diffuseur, et sur une extrémité aval d'un carter externe 26 de la chambre, l'extrémité amont de ce carter 26 étant fixée sur un voile tronconique externe 28 du diffuseur. La paroi 18 de fond de chambre comporte des ouvertures 30 de montage de systèmes 32 d'injection de carburant dans la chambre 10, l'air provenant du diffuseur 12 et le carburant étant amené par des injecteurs 34. Les injecteurs 34 sont fixés à leurs extrémités radialement externes sur le carter externe 26 et régulièrement répartis sur une circonférence autour de l'axe de révolution de la chambre. Chaque injecteur 32 comprend à son extrémité radialement interne une tête 36 d'injection de carburant qui est alignée avec l'axe 38 d'une ouverture 30 correspondante de la paroi 18 de la chambre. L'axe 38 est confondu dans le dessin avec l'axe longitudinal de la section de la chambre. Chaque tête d'injection 36 comporte une buse d'atomisation (non visible) pour pulvériser un cône de carburant dans la chambre, le long de l'axe 38, ce carburant étant destiné à se mélanger à l'air provenant du compresseur, comme cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit. Un capot annulaire 40 incurvé vers l'amont est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 et 18 de la chambre et comprend des orifices 42 de passage d'air alignés avec les ouvertures 30 de la paroi 18 de fond de chambre. Le mélange d'air et de carburant injecté dans la chambre 10 est enflammé au moyen d'au moins une bougie d'allumage 44 qui s'étend radialement à l'extérieur de la chambre. Cette bougie 44 s'étend dans un orifice 46 de la paroi externe 16 de la chambre, et son extrémité radialement externe est fixée par des moyens appropriés au carter externe 26 et reliée à des moyens d'alimentation électrique (non représentés) situés à l'extérieur du carter 26. Le système d'injection 32, mieux visible en figure 2, comporte deux vrilles de turbulence amont 48 et aval 50 coaxiales reliées en amont à des moyens 52 de centrage et de guidage de la tête 36 de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur 54 qui est monté axialement dans l'ouverture 30 de la paroi 18 de fond de chambre. Les vrilles 48, 50 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 tourbillonnant en aval de la tête d'injection 36. Les vrilles 48, 50 sont séparées l'une de l'autre par une paroi radiale 52 reliée à son extrémité radialement interne à un venturi 54 qui s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille aval 50 et qui sépare les écoulements d'air issus des vrilles amont 48 et aval 50. Une première veine annulaire d'écoulement d'air est formée à l'intérieur du venturi et une seconde veine annulaire d'écoulement d'air est formée à l'extérieur du venturi. Le bol mélangeur 54 a une paroi sensiblement tronconique 56 évasée en aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 58 monté axialement dans l'ouverture 30 de la paroi 18 de fond de chambre avec un déflecteur annulaire 60. L'extrémité amont de la paroi tronconique 56 du bol est fixée par une pièce annulaire intermédiaire 62 à la vrille aval 50. La paroi tronconique 56 du bol comporte une rangée annulaire d'orifices 64 d'injection d'air. L'air passant par ces orifices 64 et l'air s'écoulant dans les veines à l'intérieur et à l'extérieur du venturi se mélangent au cône de carburant pulvérisé par l'injecteur 34 pour former une nappe 66 de carburant pulvérisé, ayant une forme sensiblement conique ou tronconique s'élargissant vers l'aval. L'axe de la bougie d'allumage 44 s'étend dans un plan passant par l'axe longitudinal de la chambre et par un des systèmes d'injection 32, ce plan étant le plan des dessins des figures 1 et 2. La bougie est située au voisinage de l'extrémité aval de la nappe 66 produite par ce système pour initier la combustion de cette nappe qui entraîne à son tour la combustion des nappes produites par les systèmes d'injection adjacents. Dans la technique actuelle représentée en figure 3, les nappes 66, 66' produites par les systèmes d'injection 32 ont toutes le même angle d'ouverture a qui est de l'ordre de 50 à 70° environ, et le débit de carburant des injecteurs 34 est le même pour tous (il est pas exemple de l'ordre de 200 à 250kg/h lors d'un démarrage). La richesse en carburant est donc globalement constante à l'intérieur de la chambre, sur tout son pourtour. Comme on l'a vu dans ce qui précède, le rallumage en vol de cette chambre de combustion peut être gêné d'une part par la difficulté à initier la combustion de la nappe 166 produite par le système d'injection 132 situé dans le plan de la bougie 44, et d'autre par la difficulté pour la flamme de se propager aux nappes 66' produites par les systèmes d'injection 32' adjacents. L'invention permet de remédier à ces problèmes en prévoyant deux types de systèmes d'injection, un premier type formé par les systèmes d'injection 166 situés au plus prés d'une bougie 144 et un second type formé par les autres systèmes d'injection 166', c'est-à-dire ceux qui ne sont pas au voisinage immédiat de la bougie. Selon l'invention, chaque système d'injection 132 du premier type est alimenté avec un débit de carburant qui est supérieur d'environ 20 à 40% au débit alimentant les systèmes d'injection du second type. Le mélange d'air et de carburant injecté dans la chambre a donc une richesse en carburant plus importante dans chaque zone où est située une bougie d'allumage. De plus, la nappe 166 formée par chaque système d'injection 132 du premier type a un angle d'ouverture R plus grand que l'angle d'ouverture a des nappes produites par les systèmes d'injection 132' du second type. Dans un exemple de réalisation, l'angle d'ouverture R est de l'ordre de 80-100° et l'angle d'ouverture a est de l'ordre de 50 à 70°, l'angle a étant sensiblement identique à celui de la technique antérieure. La distance axiale entre la bougie 144 et les systèmes d'injection 132, 132' ou la paroi 118 de fond de chambre est de l'ordre de 40-50mm, cette distance étant mesurée le long de l'axe 38 visible en figure 1. L'angle d'ouverture a, R de la nappe produite par un système d'injection 132, 132' peut être déterminé, pour un débit d'air donné, en fonction du rapport de la section de la vrille secondaire 50 sur la section des orifices 64 du bol mélangeur 54 du système, et éventuellement de l'angle d'ouverture du cône de carburant produit par la buse d'atomisation de l'injecteur 36 de ce système. La section de la vrille secondaire 50 est égale à iD1 H, H étant la dimension axiale de la vrille (figure 2) et DI étant le diamètre à la sortie de cette vrille. La section des orifices 64 du bol mélangeur 54 est égale à nnD22/4, n étant le nombre d'orifices et D2 étant le diamètre de ces orifices. Plus le rapport de la section de la vrille secondaire 50 sur la section des orifices 64 du bol mélangeur 54 d'un système d'injection est grand et plus l'angle d'ouverture de la nappe produite par ce système est faible. Les paramètres H, DI, D2 et n des systèmes d'injection 132, 132' sont déterminés de façon à ce que le rapport précité de la section de la vrille sur la section des orifices du bol soit compris entre 0,8 et 1,2 pour le système d'injection 132 du premier type, et entre 1,2 et 1,4 pour les systèmes d'injection du second type. La valeur de la somme de la section de la vrille et de la section des orifices du bol est en outre la même pour tous les systèmes d'injection 132, 132'. Le nombre n d'orifices 64 des bols 54 peut être compris entre 20 et 30, et leur diamètre peut varier entre 1,5 et 3mm. La dimension axiale H des vrilles secondaires 50 peut varier entre 2,5 et 5mm. Le débit de carburant des deux systèmes d'injection 132' du second type situés directement de part et d'autre d'un système d'injection 132 du premier type peut être supérieur à ceux des autres systèmes d'injection du second type. De plus, l'angle d'ouverture a des nappes 166' produites par ces deux systèmes d'injection 132' peut avoir une valeur intermédiaire entre l'angle d'ouverture 3 de la nappe 166 produite par le système d'injection 132 du premier type et celle des nappes des autres systèmes d'injection du second type. Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, la chambre de combustion 10 est équipée de deux bougies d'allumage 44 qui sont disposées autour de l'axe longitudinal de la chambre, à 4 heures et à 8 heures par analogie avec le cadran d'une montre. Les deux systèmes d'injection 132 alignés avec ces bougies sont du premier type précité, et les autres systèmes d'injection 132' (au nombre de 16 à 20 par exemple) sont du second type précité. REVENDICATIONS1. Turbomachine, comprenant une chambre annulaire de combustion délimitée par deux parois de révolution coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi (118) de fond de chambre comportant des ouvertures de montage de systèmes (132, 132') d'injection de carburant dans la chambre, et au moins une bougie d'allumage (144) montée dans un orifice de la paroi de révolution externe de la chambre, et orientée vers l'axe d'un des systèmes d'injection (132), caractérisée en ce qu'au moins le système d'injection (132) situé au plus prés de la bougie (144) est configuré pour produire une nappe (166) sensiblement conique ou tronconique de carburant pulvérisé ayant un angle d'ouverture (R) de plus grande valeur que celui (a) des nappes (166') produites par les autres systèmes d'injection (132'), et en ce que le débit de carburant de ce système d'injection (132) est supérieur à celui des autres systèmes d'injection (132'). 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le débit de carburant dudit système d'injection (132) est supérieur de 20 à 40% environ au débit de carburant des autres systèmes d'injection (132'). 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'angle d'ouverture 03) de la nappe (166) produite par ledit système d'injection (132) est compris entre 80 et 100°, et en ce que l'angle d'ouverture (a) des nappes (166') produites par les autres systèmes d'injection (132') est compris entre 50 et 70° 4. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux systèmes d'injection (132') situés de part et d'autre dudit système d'injection (132) au plus prés de la bougie sont configurés pour produire une nappe (166') de carburant ayant un angle d'ouverture supérieur à celui des nappes de carburant produites par les autres systèmes d'injection. 5. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux bougies d'allumage (144). 6. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque système d'injection (132, 132') comporte un injecteur de carburant dont la tête est équipée d'une buse d'atomisation du carburant, la buse d'atomisation du ou de chaque système d'injection (132) situé au plus prés de la bougie étant configurée pour produire un cône de carburant ayant un angle d'ouverture de plus grande valeur que celui des cônes de carburant produits par les buses d'atomisation des autres systèmes d'injection (132'). 7. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ou chaque système d'injection (132, 132') situé au plus prés de la bougie comprend des moyens d'alimentation en air configurés pour produire une nappe (166) de carburant ayant un angle d'ouverture de plus grande valeur que celui des nappes (166') produites par les moyens d'alimentation en air des autres systèmes d'injection (132'). 8. Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation en air de chaque système d'injection (132, 132') comprennent au moins une vrille de turbulence (50) s'étendant autour de l'axe de l'ouverture de la paroi (118) de fond de chambre et définissant une veine annulaire de passage d'air dans la chambre, et un bol mélangeur (54) de forme tronconique monté en aval de cette vrille dans l'ouverture de la paroi de fond de chambre et comportant une rangée annulaire d'orifices (64) de passage d'air dans la chambre, la dimension axiale (H) de la vrille et le nombre et le diamètre des orifices du bol mélangeur étant déterminés de façon à ce que le rapport de la section de la vrille sur la section des orifices du bol soit compris entre 0,8 et 1,2 pour le ou chaque système d'injection (132) situé au plus prés de la bougie, et entre 1,2 et 1,4 pour les autres systèmes d'injection (132'), la valeur de la somme de la section de lavrille et de la section des orifices du bol étant la même pour tous les systèmes d'injection. 9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que la dimension axiale (H) des vrilles (50) des systèmes d'injection (132, 132') 5 varie entre 2,5 et 5mm. 10. Turbomachine selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que le nombre d'orifices (64) des bols mélangeurs (54) des systèmes d'injection (132, 132') est compris entre 20 et 30, et le diamètre de ces orifices est compris entre 1,2 et 1,4mm.