Brevet FR2943762A1 — publié le 20101001

Système d'injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne un système d'injection de carburant dans une chambre annulaire de combustion d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une chambre annulaire de combustion de turbomachine comprend deux parois de révolution, respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre comportant des orifices dans chacun desquels est monté un système d'injection de carburant dans la chambre. Un carénage annulaire est fixé aux extrémités amont des parois de révolution de la chambre et comprend des ouvertures alignées axialement avec les orifices de la paroi de fond de chambre, pour le montage des injecteurs de carburant et le passage de l'air d'alimentation des systèmes d'injection. Chaque système d'injection comprend des moyens de support de la tête d'un injecteur de carburant et au moins une vrille radiale qui est disposée en aval de la tête de l'injecteur, coaxialement à celle-ci, et qui délivre un flux d'air radial en aval de l'injection de carburant afin de réaliser un mélange d'air et de carburant destiné à être brûlé dans la chambre de combustion. La vrille radiale de chaque système d'injection est alimentée par de l'air provenant d'un diffuseur annulaire monté en sortie d'un compresseur haute-pression On a constaté que l'alimentation en air de cette vrille radiale n'est pas homogène sur tout son pourtour et que des parties latérales de la vrille situées au niveau d'un plan tangent à une circonférence centrée sur l'axe de la chambre sont correctement alimentées, alors que des parties interne et externe de la vrille situées au niveau d'un plan passant par l'axe de la chambre ne sont pas correctement alimentées. Les parties latérales précitées de la vrille sont alimentées en partie par de l'air s'écoulant sensiblement axialement depuis la sortie du diffuseur, en passant à travers l'ouverture correspondante du carénage et au voisinage de son bord périphérique. Une autre partie de l'air sortant du diffuseur passe axialement à travers l'ouverture du carénage, sensiblement en son milieu, et s'écoule en amont du système d'injection dans des directions radiales vers l'extérieur par rapport à l'axe de la tête de l'injecteur, puis radialement vers l'intérieur par rapport à cet axe et pénètre dans la vrille radiale. Des décollements ont lieu en entrée des parties interne et externe précitées de la vrille, ce qui augmente les pertes de charge dans le flux d'air délivré par la vrille et les instabilités dans les écoulements d'air à l'intérieur de la chambre de combustion. Cela a pour conséquence de favoriser la production de gaz de combustion polluants (tels que des NOx) et d'augmenter le risque d'accrochage de flammes sur les parois de la chambre. La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème de la technique antérieure. Elle a notamment pour but d'homogénéiser l'alimentation en air des vrilles radiales des systèmes d'injection de façon à limiter les émissions polluantes de la turbomachine. Elle propose à cet effet un système d'injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, comportant des moyens de support de la tête d'un injecteur de carburant et au moins une vrille radiale destinée à produire un flux d'air radial tournant en aval de la tête de l'injecteur, caractérisé en ce que l'extrémité amont de la vrille comporte à sa périphérie externe un capotage annulaire amont de guidage de l'air radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe de la vrille. Avantageusement, ce capotage a en section une forme incurvée dont la convexité est orientée vers l'amont et vers l'extérieur par rapport à l'axe de la vrille. Dans le système d'injection selon l'invention, une partie de l'air sortant du diffuseur s'écoule en direction axiale jusqu'au système d'injection, puis dans des directions radiales de l'intérieur vers l'extérieur par rapport à l'axe de la tête de l'injecteur, et enfin de manière centripète pour alimenter la vrille radiale. Lorsque cet air passe au niveau de la périphérie externe de l'extrémité amont de la vrille, il est guidé par la surface externe convexe du capotage jusqu'à l'entrée de la vrille radiale, ce qui limite les décollements d'air à ce niveau et les pertes de charge dans le flux d'air délivré par la vrille. Ceci permet d'homogénéiser le flux d'air dans la vrille du système d'injection, et ce sur tout son pourtour, et de réduire les émissions de gaz de combustion polluants de la chambre. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité amont de la vrille fait partie des moyens de support de la tête de l'injecteur de carburant. Dans un exemple de réalisation de l'invention, l'extrémité amont de la vrille comprend à sa périphérie interne une surface cylindrique interne de centrage de la tête de l'injecteur de carburant. En variante, l'extrémité amont de la vrille comprend à sa périphérie interne une gorge annulaire interne dans laquelle est montée coulissante en direction radiale une bague traversée par la tête de l'injecteur de carburant. Chaque système d'injection est en général équipé d'au moins deux vrilles de turbulence, une vrille primaire et une vrille secondaire. Le système d'injection selon l'invention peut donc comprendre une vrille qui est située en aval de la vrille radiale précitée et qui est destinée à délivrer un flux d'air radial tournant supplémentaire, ou une vrille qui est située en amont et/ou radialement à l'intérieur de la vrille radiale du type précité et qui est destinée à délivrer un flux d'air axial tournant. L'extrémité amont de la vrille peut comprendre une surface annulaire orientée vers l'aval et définissant l'extrémité amont de la veine d'écoulement d'air dans la vrille, cette surface étant reliée à sa périphérie externe à l'extrémité aval de la surface convexe externe du capotage par une zone annulaire de liaison qui a une forme légèrement incurvée convexe de façon à éviter des décollements de l'air d'alimentation de la vrille. La présente invention concerne également une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comprenant deux parois de révolution, respectivement interne et externe, reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre comportant des orifices de montage de systèmes d'injection de carburant tels que décrits ci-dessus, et un carénage annulaire fixé aux extrémités amont des parois de révolution et comportant des ouvertures alignées avec les orifices de la paroi de fond de chambre. Dans un mode de réalisation de cette chambre, les capotages des systèmes d'injection ont un diamètre externe inférieur au diamètre interne des ouvertures du carénage, et sont chacun situés dans un plan passant sensiblement par une de ces ouvertures. En variante, les capotages des systèmes d'injection ont un diamètre externe supérieur au diamètre interne des ouvertures du carénage, et sont situés en retrait axial vers l'aval par rapport à ces ouvertures. L'invention concerne enfin une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système d'injection tel 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 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'un diffuseur et d'un système d'injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe du système d'injection et de la chambre de combustion de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'un diffuseur et d'un système d'injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine, selon l'invention ; - la figure 4 est une demi-vue schématique en coupe du système d'injection selon l'invention et de la chambre de combustion de la figure 1 ; et - la figure 5 est une vue correspondant à celle de la figure 4 et représente une chambre de combustion équipée d'une variante de réalisation du système d'injection 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 qui sont reliées en amont par une paroi annulaire 18 de fond de chambre. Un carénage annulaire 20 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 de la chambre et comprend des ouvertures 22 de passage d'air alignées avec des orifices 24 de la paroi 18 de fond de chambre dans lesquels sont montés des systèmes 26 d'injection de carburant comprenant des injecteurs 28 régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre. Chaque injecteur comprend une tête 30 d'injection de carburant alignée sur l'axe d'un orifice 24 de la paroi de fond de chambre 18. Une partie du débit d'air 32 fourni par le compresseur et sortant du diffuseur 12 pénètre dans l'enceinte annulaire délimitée par le carénage 20, passe dans le système d'injection 26 (flèches 34, 36, 38 et 40), et est ensuite mélangé au carburant amené par l'injecteur 28 et pulvérisé dans la chambre de combustion 10. Le système d'injection 26 comporte ici trois vrilles de turbulence 42, 44 coaxiales, deux vrilles axiales 42 s'étendant autour de la tête 30 de l'injecteur et alignées sur l'axe de l'orifice 24 de la paroi 18, et une vrille radiale 44 située en aval de la tête de l'injecteur et mieux visible en figure 2. La vrille radiale 44 comprend une pluralité d'aubages 46 s'étendant sensiblement radialement autour de l'axe de la tête de l'injecteur et de l'orifice 24, et régulièrement répartis autour de cet axe pour délivrer un flux d'air radial tournant en aval de la tête 30 de l'injecteur, les aubages 46 de la vrille délimitant entre eux des canaux de passage d'air, qui sont inclinés ou incurvés autour de l'axe de la vrille. Les aubages 46 de la vrille radiale 44 s'étendent axialement entre deux éléments annulaires 48, 50, respectivement amont et aval, l'élément annulaire amont présentant une surface cylindrique interne 52 dans laquelle sont montés en coulissement axial des moyens de support des vrilles axiales 42 et de la tête 30 de l'injecteur. On a constaté que les flux d'air 36, 38, 40 alimentant les différents canaux définis par les aubages 46 de la vrille radiale 44 ne sont pas identiques et que le flux d'air passant dans la vrille n'était pas homogène sur tout son pourtour. Les canaux de la vrille 44 situés au niveau de l'axe du diffuseur 12 en figure 1 sont alimentés avec un flux d'air 40 relativement stable qui s'écoule en direction axiale à travers les ouvertures 22 du carénage, au voisinage de leurs bords, et parvient directement à l'entrée de ces canaux. Au contraire, les canaux de la vrille 44 situés de part et d'autre de cet axe (c'est-à-dire ceux situés en partie supérieure et en partie inférieure de la vrille en figure 2) sont alimentés avec des flux d'air 36, 38 instables. Cela est notamment dû au fait que l'air d'alimentation de ces canaux s'écoule axialement du diffuseur jusqu'en amont du système d'injection (flèches 54) puis s'écoule radialement de l'intérieur vers l'extérieur (flèches 56) et enfin de manière centripète (flèches 36 et 38) jusqu'à l'entrée des canaux précités (figure 2). Des décollements d'air importants ont été constatés à l'entrée de la vrille radiale 44, et en particulier à la périphérie externe de l'élément amont 48, ce qui entraîne des pertes de charge importantes dans le flux d'air délivré par la vrille. Cela se traduit par des écoulements d'air instables dans la chambre de combustion, augmentant les émissions polluantes et les risques d'accrochage de flammes sur les parois de la chambre. L'invention permet de remédier à ce problème grâce à des moyens de guidage du flux d'air d'alimentation de la vrille radiale de chaque système d'injection de la chambre de combustion. Ces moyens de guidage sont formés par un capotage annulaire qui est monté à l'extrémité amont de la vrille radiale et qui comprend une surface annulaire externe de forme incurvée dont la convexité est orientée vers l'amont et vers l'extérieur par rapport à l'axe de la tête d'injecteur ou de la vrille. Ce capotage guide l'air radialement vers l'extérieur à l'entrée de la vrille radiale, ce qui permet de limiter les décollements d'air précités et donc d'alimenter de manière homogène la vrille sur tout son pourtour, de façon à ce que celle-ci délivre un flux d'air tournant plus homogène sur son pourtour. Dans l'exemple représenté aux figures 3 et 4, les éléments déjà décrits en référence aux figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes chiffres augmentés d'une centaine. Le diffuseur 112, la chambre de combustion 110 et ses parois 114, 116 et 118, et l'injecteur de carburant 128 sont similaires à ceux 20 précédemment décrits. Le système d'injection 126 diffère de celui décrit en référence aux figures 1 et 2 en ce qu'il comprend un capotage annulaire 160 selon l'invention, ce capotage étant porté par l'élément annulaire amont 148 de la vrille radiale 144. 25 Ce capotage 160 est formé d'une seule pièce avec l'élément annulaire 148 ou est rapporté et fixé par des moyens appropriés sur cet élément. Le capotage 160 s'étend vers l'amont et vers l'intérieur depuis la périphérie externe de l'élément annulaire 148 par rapport à l'axe de la vrille. 30 Ce capotage a une surface externe incurvée convexe de guidage du flux d'air provenant du diffuseur 112 radialement vers l'extérieur jusqu'à l'entrée de la vrille radiale 144, ce qui évite les décollements d'air à la périphérie externe de l'élément 148. Par ailleurs, cette surface externe est reliée à la surface annulaire aval de l'élément 148, délimitant l'extrémité amont de la veine de la vrille, par une zone annulaire 161 ayant en section une forme arrondie convexe de façon à limiter les décollements d'air en entrée de la vrille. Dans l'exemple représenté aux figures 3 et 4, l'élément annulaire 148 fait partie des moyens de centrage ou de support de la tête 130 de l'injecteur 126 et comprend à sa périphérie interne une surface cylindrique interne (non représentée) de centrage de cette tête. Le capotage 160 a ici un diamètre externe inférieur au diamètre interne de l'ouverture 122 correspondante du carénage 120. De plus, le capotage est situé sensiblement dans le plan de l'ouverture 122. Le capotage 160 définit avec le bord rentrant de l'ouverture 122 du carénage un espace annulaire d'écoulement de l'air destiné à alimenter uniformément la vrille radiale 144. Dans la variante représentée en figure 5, le système d'injection diffère de celui des figures 3 et 4 en ce qu'il comprend deux vrilles radiales 162, 164 et non pas deux vrilles axiales et une vrille radiale comme dans l'exemple précédent. Les deux vrilles radiales 162, 164 sont disposées axialement l'une derrière l'autre et sont séparées l'une de l'autre par un venturi 166. Ces vrilles 162, 164 sont similaires et comprennent des aubages sensiblement radiaux. Les aubages de la vrille amont 162 sont reliés à leurs extrémités amont à un élément annulaire comportant à sa périphérie externe un capotage annulaire 170 selon l'invention pour le guidage de l'air alimentant les vrilles 162, 164. Cet élément annulaire 170 comporte des moyens de centrage ou de support de la tête 172 d'un injecteur. Dans l'exemple représenté, l'élément annulaire comprend à sa périphérie interne une gorge annulaire 174 radialement interne dans laquelle est logé le rebord radial externe 176 d'une bague 178 traversée axialement par la tête de l'injecteur. Le diamètre interne de la gorge 174 est supérieur au diamètre externe du rebord 176 de la bague de façon à ce que la bague puisse se déplacer en direction radiale vis-à-vis de l'élément amont 170. Dans cet exemple, le capotage 170 a un diamètre externe supérieur 5 au diamètre interne de l'ouverture 180 du carénage 182 de la chambre, et est situé en retrait axial vers l'aval de cette ouverture. REVENDICATIONS1. Système (126) d'injection de carburant dans une chambre de combustion (110) d'une turbomachine, comportant des moyens de support de la tête (130) d'un injecteur de carburant (128) et au moins une vrille radiale (144) destinée à produire un flux d'air radial tournant en aval de la tête de l'injecteur, caractérisé en ce que l'extrémité amont (148) de la vrille comporte à sa périphérie externe un capotage annulaire amont (160) de guidage de l'air radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe de la vrille. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce capotage a en section une forme incurvée dont la convexité est orientée vers l'amont et vers l'extérieur par rapport à l'axe de la vrille. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité amont (148) de la vrille fait partie des moyens de support de la tête (130) de l'injecteur de carburant (128). 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité amont (148) de la vrille comprend à sa périphérie interne une surface cylindrique interne de centrage de la tête (130) de l'injecteur de carburant (128). 5. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité amont de la vrille comprend à sa périphérie interne une gorge annulaire interne (174) dans laquelle est montée coulissante en direction radiale une bague (178) traversée axialement par la tête (172) de l'injecteur de carburant. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une vrille (42, 164) supplémentaire qui est située en aval de la vrille (162) précitée et qui est destinée à délivrer un flux d'air radial tournant, ou qui est située en amont et/ou radialement à l'intérieur de la vrille (144) précitée et qui est destinée à délivrer un flux d'air axial tournant. 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité amont (148) de la vrille comprend une surface annulaire orientée vers l'aval et définissant l'extrémité amont de la veine d'écoulement d'air dans la vrille, cette surface étant reliée à sa périphérie externe à l'extrémité aval d'une surface externe de guidage d'air du capotage (160) par une zone annulaire (161) de liaison qui a une forme légèrement incurvée convexe de façon à éviter des décollements de l'air d'alimentation de la vrille. 8. Chambre annulaire de combustion (110) de turbomachine, comprenant deux parois de révolution (114, 116), respectivement interne et externe, reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire (118) de fond de chambre comportant des orifices de montage de systèmes d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes, et un carénage annulaire (120) fixé aux extrémités amont des parois de révolution et comportant des ouvertures (122) alignées axialement avec les orifices de la paroi de fond de chambre. 9. Chambre selon la revendication 8, caractérisée en ce que les capotages (160) des systèmes d'injection (126) ont un diamètre externe inférieur au diamètre interne des ouvertures (122) du carénage (120), et sont chacun situés dans un plan passant sensiblement par une de ces ouvertures. 10. Chambre selon la revendication 8, caractérisée en ce que les capotages (170) des systèmes d'injection ont un diamètre externe supérieur au diamètre interne des ouvertures (180) du carénage (182), et sont situés en retrait axial vers l'aval par rapport à ces ouvertures. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un système d'injection de carburant selon l'une des revendications 1 à 7.