Brevet FR2941288A1 — publié le 20100723

Dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne un dispositif 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 dispositif d'injection de ce type comprend en général des vrilles primaire et secondaire qui sont disposées en aval d'un injecteur, coaxialement à celui-ci, et qui délivrent chacune des flux d'air radiaux en aval de l'injecteur de carburant afin de réaliser le mélange d'air et de carburant destiné à être injecté puis brûlé dans la chambre de combustion. L'écoulement d'air issu de la vrille primaire est accéléré dans un venturi intercalé entre les deux vrilles. Un bol de forme tronconique est monté en aval des vrilles et guide le mélange air/carburant qui entre dans la chambre de combustion Les vrilles comportent chacune une pluralité d'aubages sensiblement radiaux délimitant entre eux des canaux incurvés ou inclinés de passage d'air pour imprimer à l'air un mouvement de rotation autour de l'axe de la vrille (de manière à former un flux d'air tourbillonnaire ou � swirl � en terminologie anglo-saxonne). La tête de l'injecteur de carburant est engagée axialement dans une bague de centrage qui est montée coulissante en direction radiale dans une douille située en amont des vrilles, pour autoriser des dilatations thermiques différentielles des différentes pièces en fonctionnement. Cette bague comporte des orifices axiaux de purge d'air qui débouchent radialement à l'intérieur de la vrille primaire. Les orifices de la bague sont situés sur une circonférence dont le diamètre est inférieur à celui d'une circonférence passant par les bords de fuite radialement internes des aubages de la vrille. Dans la technique actuelle, le nombre des orifices de la bague et le nombre des aubages de la vrille primaire sont déterminés indépendamment l'un de l'autre. Toutefois, les flux d'air sortant des orifices de la bague perturbent le flux d'air tourbillonnaire (ou � swirl �) délivré par la vrille primaire, ce qui entraîne des turbulences dans ce flux d'air tourbillonnaire et se traduit par le dépôt de suie et de coke sur la surface intérieure du venturi. Ce dépôt peut gêner l'injection du mélange air/carburant dans la chambre et créer localement des points chauds à l'intérieur de la chambre, ce qui favorise notamment l'émission de gaz nocifs tels que des oxydes d'azote (NOx). La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, comprenant une bague de centrage d'un injecteur de carburant, un venturi situé en aval de l'injecteur, coaxialement à celui-ci, et une vrille primaire située entre la bague et le venturi, cette vrille comportant des aubages sensiblement radiaux définissant entre eux des canaux incurvés de passage d'air, et la bague comportant des orifices sensiblement axiaux de passage d'air débouchant radialement à l'intérieur de la vrille, caractérisé en ce que le nombre d'orifices de la bague est au plus égal au nombre d'aubages de la vrille, et en ce que les débouchés aval des orifices de la bague sont situés entre les canaux de la vrille pour que les flux d'air sortant des orifices de la bague ne perturbent pas les flux d'air délivrés par la vrille. Selon l'invention, le nombre d'orifices de la bague de centrage de l'injecteur est déterminé en fonction du nombre d'aubages de la vrille primaire, le nombre de ces orifices étant au plus égal au nombre de ces aubages. Chaque orifice de la bague est associé à un aubage de la vrille et est positionné entre deux canaux, ce qui limite la formation de coke sur la surface intérieure du venturi. Le nombre d'orifices de la bague peut être compris entre 6 et 18. Les orifices de la bague peuvent avoir un diamètre compris entre 0,2 et 2mm, et par exemple entre 0,5 et I mm. Préférentiellement, l'épaisseur de matière entre les débouchés des canaux en direction transversale ou circonférentielle est supérieure au diamètre des orifices de la bague et peut être comprise entre 1,5 et 2 fois environ le diamètre des orifices de la bague. Les orifices de la bague peuvent s'étendre parallèlement à l'axe de la bague ou être inclinés par rapport à cet axe. Les orifices de la bague sont par exemple inclinés en direction radiale de manière à converger ou à diverger les uns par rapport aux autres d'amont en aval. En variante ou en caractéristique complémentaire, ces orifices peuvent être inclinés en direction tangentielle ou circonférentielle de façon à ce que les flux d'air passant par ces orifices soient orientés dans le sens de rotation des flux d'air délivrés par la vrille ou dans le sens contraire de rotation. Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend des 15 moyens de blocage en rotation de la bague autour de son axe vis-à-vis de la douille. Ces moyens de blocage permettent de conserver la même position relative entre la bague, d'une part, et la douille et la vrille, d'autre part, et donc entre les orifices de la bague et les débouchés des canaux de la vrille. 20 La bague peut coulisser en direction radiale dans la douille pour autoriser des dilatations thermiques différentielles des pièces en fonctionnement, sans modifier sa position angulaire autour de son axe. L'invention concerne également une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle 25 comprend une chambre de combustion équipée d'au moins un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant tels que décrit ci-dessus. 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 30 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 dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant selon la technique antérieure ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective et en coupe axiale du dispositif de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue très schématique partielle en coupe transversale d'un dispositif d'injection d'un mélange d'air et de carburant selon l'invention ; - les figures 5 et 6 sont des vues très schématiques partielles en coupe axiale de variantes de réalisation de dispositifs selon l'invention. 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 par une paroi annulaire 18 de fond de chambre et fixées en aval par des brides 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 30 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 32 de la paroi 18 de fond de chambre dans lesquelles sont montés des dispositifs 34 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 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 de l'ouverture 32 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 30, passe dans le dispositif d'injection 34 (flèches 48, 50 et 52), et est ensuite mélangée au carburant amené par l'injecteur et pulvérisée dans la chambre de combustion 10. Le dispositif d'injection 34, mieux visible aux figures 2 et 3, comporte deux vrilles amont 54 et aval 56 coaxiales, qui sont séparées l'une de l'autre pas un venturi 58 et qui sont reliées en amont à des moyens 60 de centrage et de guidage de la tête 36 de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur 62 qui est monté axialement dans l'ouverture 32 de la paroi 18 de fond de chambre. Les vrilles 54, 56 comprennent chacune une pluralité d'aubages s'étendant sensiblement radialement autour de l'axe A des vrilles et régulièrement répartis autour de cet axe pour délivrer des flux d'air 50, 52 tourbillonnant en aval de la tête d'injection 36. Les aubages délimitent entre eux des canaux de passage d'air, qui sont inclinés ou incurvés autour de l'axe des vrilles. Les moyens de guidage de la tête d'injection 36 comprennent une bague 60 traversée axialement par la tête d'injection 36 et montée coulissante dans une douille 64 fixée sur la vrille primaire 54. La bague 60 comprend un rebord annulaire 66 s'étendant radialement vers l'extérieur et logé dans une gorge annulaire de la douille 64, le diamètre interne de la gorge de la douille 64 étant supérieur au diamètre externe du rebord 66 de la bague 60. Le rebord 66 de la bague 60 comporte des orifices 68 sensiblement axiaux de purge d'air. Les orifices 68 sont situés sur une circonférence centrée sur l'axe A de la bague, le diamètre de cette circonférence étant inférieur au diamètre d'une circonférence passant par les débouchés 82 des canaux de la vrille primaire 54, de façon à ce que les flux d'air 48 sortant des orifices 68 passent axialement d'amont en aval radialement à l'intérieur de la vrille 54. Le bol mélangeur 62 a une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 70, s'étendant vers l'amont et monté axialement dans l'ouverture 32 de la paroi 18 de fond de chambre avec un déflecteur annulaire externe 72. L'extrémité amont de la paroi tronconique du bol 62 est reliée à une pièce annulaire intermédiaire 74 fixée sur la vrille secondaire 56. Le venturi 58 a en section une forme sensiblement en L et comprend à son extrémité amont un rebord annulaire externe 76 de montage s'étendant radialement vers l'extérieur, qui est intercalé axialement entre les deux vrilles 54, 56 et qui délimite axialement avec la douille 64 située en amont la veine annulaire de passage du flux d'air 50 dans la vrille primaire 54, et avec la pièce annulaire 74 située en aval la veine annulaire de passage du flux d'air 52 dans la vrille secondaire 56. Le venturi 58 s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille secondaire 56 et sépare les écoulements d'air issus des vrilles amont 54 et aval 56. Le venturi 58 comprend une surface cylindrique intérieure 78 présentant un col et délimitant une chambre de prémélange 80 dans laquelle une partie du carburant éjecté se mélange au flux d'air 50 délivré par la vrille primaire 54. Ce prémélange air/carburant se mélange ensuite en aval du venturi au flux d'air 52 provenant de la vrille secondaire 56 pour former un cône de carburant pulvérisé à l'intérieur de la chambre. Cependant, les flux d'air 48 sortant des orifices 68 perturbent les flux d'air 50 sortant des canaux de la vrille primaire 54, ce qui génère des turbulences et des ralentissements favorisant la formation de coke 86 sur la surface 78 du venturi 58 (figure 3). L'invention permet de remédier à ce problème grâce au fait que le nombre d'orifices 68 de la bague 60 est au plus égal au nombre d'aubages de la vrille primaire 54 et que ces orifices 68 débouchent entre les canaux de la vrille 54 de façon à ce que l'air passant par ces orifices ne perturbe pas les écoulements d'air en sortie des canaux de la vrille. Le nombre d'orifices 68 de la bague qui est inférieur ou égal au nombre d'aubages de la vrille primaire 54 est compris entre 6 et 18, et par exemple entre 6 et 12. Selon l'invention, chacun de ces orifices 68 est positionné de façon à ce que son débouché aval soit situé au voisinage du bord de fuite 84 d'un aubage de la vrille 54 et dans le prolongement vers l'intérieur et vers l'amont de l'aubage ou du moins de sa partie d'extrémité radialement interne, comme cela est représenté en figure 4. Chaque orifice 68 débouche de préférence dans une zone Z délimitée par deux plans P1 et P2 tangents à l'intrados et à l'extrados, respectivement, d'un aubage de la vrille 54. Cette figure 4 est une vue très schématique en coupe d'un dispositif selon l'invention, la coupe étant effectuée selon une ligne IV-IV de ce dispositif (voir la figure 2 ou cette ligne a été positionnée par rapport à un dispositif de la technique antérieure). L'air 48 sortant des orifices 68 de la bague est ainsi injecté au niveau des bords de fuite 84 des aubages de la vrille 54 et s'écoule sensiblement le long de ces bords de fuite jusqu'au venturi 58 pour former sur la surface intérieure 78 de celui-ci un film d'air anti-coke. Les orifices 68 de la bague peuvent être inclinés, comme cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit en référence aux figures 5 et 6, pour orienter l'air 48 dans une direction donnée à l'intérieur de la vrille 54. La bague 60 est empêchée de se déplacer en rotation autour de son axe A vis-à-vis de la douille 62 par des moyens de blocage portés par la douille et coopérant avec la bague. Ces moyens de blocage comportent par exemple un doigt porté par la douille 62 et logé dans la gorge annulaire de cette douille, ce doigt étant destiné à coopérer par liaison de formes avec une encoche 90 (figure 4) de forme complémentaire du rebord annulaire 66 de la bague 60. La bague 60 est toujours montée coulissante en direction radiale dans la gorge de la douille 64. Le blocage en rotation de la bague 60 vis-à-vis de la douille 64 permet de s'assurer que les orifices 68 de la bague conservent les mêmes positions relatives par rapport aux aubages de la vrille primaire 54 en fonctionnement. Le diamètre des orifices 68 est déterminé en fonction de l'épaisseur de matière entre les débouchés des canaux de la vrille 54, c'est-à-dire de l'épaisseur des bords de fuite 84 des aubages de la vrille 54. Cette épaisseur, mesurée en direction transversale ou circonférentielle, est supérieure au diamètre des orifices 68, et est de préférence comprise entre 1,5 et 2 fois environ le diamètre de ces orifices. Le diamètre des orifices 68 de la bague est compris entre 0,2 et 2mm, et par exemple entre 0,5 et 1 mm. Les figures 5 et 6 sont des vues très schématiques en coupe de variantes de réalisation du dispositif selon l'invention, la coupe étant effectuée selon une ligne V-V de ce dispositif (voir la figure 2 ou cette ligne a été positionnée par rapport à un dispositif de la technique antérieure). Dans l'exemple représenté en figure 5, les orifices 68 de la bague sont sensiblement parallèles à l'axe A de la bague 60 et du dispositif d'injection 34. Dans l'exemple de la figure 6, les orifices 168, 168' de la bague 160 sont inclinés, par rapport à l'axe de la bague, en direction tangentielle ou circonférentielle, de façon à ce que les flux d'air 148 passant par ces orifices soient orientés dans le sens de rotation (c'est le cas des orifices 168 représentés en traits continus) ou dans le sens contraire de rotation (c'est le cas des orifices 168' représentés en traits discontinus) des flux d'air 50 délivrés par la vrille 54. Les orifices 68, 168, 168' de la bague 60, 160 peuvent en outre être inclinés en direction radiale de manière à converger ou à diverger les uns par rapport aux autres d'amont en aval. REVENDICATIONS1. Dispositif (34) d'injection d'un mélange d'air et de carburant dans une chambre de combustion (10) de turbomachine, comprenant une bague de centrage (60) d'un injecteur de carburant, un venturi (58) situé en aval de l'injecteur, coaxialement à celui-ci, et une vrille primaire (54) située entre la bague et le venturi, cette vrille comportant des aubages sensiblement radiaux définissant entre eux des canaux incurvés de passage d'air, et la bague comportant des orifices (68) sensiblement axiaux de passage d'air débouchant radialement à l'intérieur de la vrille, caractérisé en ce que le nombre d'orifices de la bague est au plus égal au nombre d'aubages de la vrille, et en ce que les débouchés aval des orifices de la bague sont situés entre les canaux de la vrille pour que les flux d'air (48) sortant des orifices de la bague ne perturbent pas les flux d'air (50) délivrés par la vrille. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'orifices (68) de la bague (60) est compris entre 6 et 18. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les orifices (68) de la bague (60) ont un diamètre compris entre 0,2 et 2mm, et par exemple entre 0,5 et I mm. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de matière en direction transversale ou circonférentielle qui sépare les débouchés (82) des canaux de la vrille (54) est supérieure au diamètre des orifices (68) de la bague (60). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur 25 de matière entre les débouchés (82) des canaux est comprise entre 1,5 et 2 fois environ le diamètre des orifices (68) de la bague (60). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices (68) de la bague (60) s'étendent parallèlement à l'axe (A) de la bague ou sont inclinés par rapport à cet axe. 30 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les orifices (68) de la bague (60) sont inclinés en direction radiale de manière àconverger ou à diverger les uns par rapport aux autres d'amont en aval. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les orifices (68) de la bague (60) sont inclinés en direction tangentielle ou circonférentielle, de façon à ce que les flux d'air (48) passant par ces orifices soient orientés dans le même sens de rotation des flux d'air (50) délivrés par la vrille (54) ou dans le sens contraire de rotation. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (90) de blocage en rotation de la bague (60) autour de son axe (A). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices (68) de la bague (60) et les aubages de la vrille (54) sont régulièrement répartis autour de l'axe (A) de la bague. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de combustion équipée d'au moins un dispositif (34) d'injection d'un mélange d'air et de carburant selon l'une des revendications précédentes.