Brevet FR2956725A1 — publié le 20110826

Système d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne un système d'injection de carburant 5 pour une chambre annulaire de combustion d'une turbomachine de petite taille, par exemple pour hélicoptère. Une chambre annulaire de combustion 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 10 des orifices dans chacun desquels est monté un système d'injection de carburant. Dans la technique actuelle, un système d'injection de carburant comprend des moyens de support et de centrage de la tête d'un injecteur de carburant, un bol de forme sensiblement tronconique, et deux vrilles 15 radiales qui sont disposées entre les moyens de support et le bol et sont séparées l'une de l'autre par un venturi. La vrille interne est destinée à délivrer un flux d'air radial tournant à l'intérieur du venturi et la vrille externe est destinée à délivrer un flux d'air radial tournant à l'extérieur du venturi. La carburant amené par l'injecteur 20 est destiné à se mélanger aux flux d'air délivrés par les vrilles puis à être brûlé dans la chambre de combustion. Les moyens de support de la tête de l'injecteur comportent en outre des orifices de purge sensiblement axiaux pour le passage d'un flux d'air destiné à balayer la tête de l'injecteur pour empêcher un retour de flamme 25 vers l'injecteur et la cokéfaction de l'injecteur. Cette technologie de système d'injection présente une perméabilité (égale à la somme des sections efficaces des orifices et canaux de passage d'air du système) relativement importante et ne peut être utilisée dans un moteur de turbomachine de taille relativement petite, cette 30 perméabilité étant de l'ordre de 150-200mm2 environ. On a déjà proposé, dans la demande FR 09/03733, un système d'injection à faible perméabilité comprenant deux rangées annulaires d'orifices de passage d'air séparées par un venturi. Cependant, ce système d'injection comprend un nombre relativement important d'orifices qui ont un faible diamètre de façon à réduire la perméabilité du système. Il est toutefois difficile de réaliser des orifices de très faible diamètre avec une grande précision et les procédés d'usinage de ces orifices sont relativement coûteux. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 10 efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet un système d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comportant des moyens de support et de centrage d'une tête d'injecteur de carburant et un bol agencé en aval des moyens de support, caractérisé en ce qu'il est 15 dépourvu de venturi et de vrille, et en ce que les moyens de support comprennent une seule rangée annulaire d'orifices de passage d'air, cet air étant au moins en partie destiné à se mélanger au carburant amené par l'injecteur. Le système d'injection selon l'invention est simplifié par rapport à 20 ceux de la technique antérieure et comporte un seul moyen d'alimentation du système en air destiné à se mélanger au carburant, ce moyen étant une rangée annulaire d'orifices. La perméabilité des moyens de support de ce système est définie par une rangée unique d'orifices. Ces moyens de support comprennent donc un nombre réduit d'orifices par rapport à ceux 25 de la technique antérieure, ces orifices pouvant avoir un diamètre plus important pour une perméabilité donnée, ce qui facilite leur usinage et diminue leur coût de réalisation, et permet de réaliser un système d'injection de faible diamètre pour une turbomachine de petit taille. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de support 30 du système d'injection comprennent une paroi sensiblement tronconique convergeant vers l'aval, cette paroi étant reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont du bol, et à son extrémité amont à l'extrémité aval de plus petit diamètre d'un cône de centrage de la tête d'un injecteur. Cette paroi tronconique du système d'injection remplace le venturi de la technique antérieure et a pour but d'accélérer le mélange air-carburant jusqu'au bol en limitant les recirculations d'air et les zones mortes dans le système. Avantageusement, la rangée d'orifices des moyens de support est située à l'extrémité amont de la paroi tronconique. Ces orifices peuvent déboucher à leurs extrémités radialement externes sur une surface sensiblement tronconique s'évasant d'amont en aval vers l'extérieur. Ces orifices sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal du système d'injection et sont par exemple un nombre compris entre 10 et 20. Ils peuvent avoir un diamètre compris entre 0,8 et 1,2mm environ. Les débouchés radialement externes des orifices des moyens de support peuvent être situés sur une circonférence dont le diamètre est inférieur à celui de l'extrémité amont de plus grand diamètre du cône de centrage. Dans ce cas, l'extrémité amont du cône comporte de préférence des encoches radiales qui sont chacune alignées axialement avec un des orifices des moyens de support pour favoriser leur alimentation en air. Les orifices des moyens de support peuvent être inclinés axialement, par exemple d'un angle compris entre 70 et 75°, par rapport à l'axe longitudinal du système. L'inclinaison en direction axiale de ces orifices assure le balayage de la paroi interne du bol pour y empêcher le dépôt de coke, et le balayage de la tête de l'injecteur, ce qui évite un retour de flamme vers l'injecteur. Cette fonction était assurée dans la technique antérieure par les orifices de purge des moyens de support. La présente invention permet donc également de supprimer les orifices de purge des moyens de support du système d'injection. Les orifices des moyens de support peuvent être inclinés en direction circonférentielle, par exemple d'un angle compris entre 50 et 60°, par rapport à un rayon passant par l'axe longitudinal du système, ce qui permet de délivrer un flux d'air tournant à l'intérieur du système d'injection, ce flux d'air étant destiné à se mélanger au carburant amené par l'injecteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le bol du système d'injection comporte au moins une rangée annulaire d'orifices de passage d'air. Il peut comprendre une rangée annulaire d'orifices de passage d'air destiné à piloter la nappe du mélange air-carburant injecté dans la chambre de combustion, et éventuellement une rangée annulaire d'orifices de passage d'air destiné à refroidir par impact une collerette annulaire externe située à l'extrémité aval du bol. Lorsque le bol comporte deux rangées annulaires d'orifices, les orifices d'une première rangée sont de préférence disposés en quinconce par rapport aux orifices de la seconde rangée. La perméabilité du système d'injection selon l'invention, c'est-à-dire la somme des sections des orifices des moyens de support et du bol, est de préférence inférieure ou égale à 50-60mm2. Des orifices du bol peuvent être inclinés en direction circonférentielle dans le même sens ou dans le sens opposé à celui des orifices des moyens de support. Lorsque les flux d'air délivrés respectivement par les orifices des moyens de support et ceux du bol tournent dans des sens contraires et sont donc contra-rotatifs, une zone de recirculation d'air se crée en aval du bol, ce qui permet de faciliter le maintien de la flamme et le pilotage de l'angle de pulvérisation de la nappe du mélange air-carburant. La présente invention concerne également une chambre annulaire de combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes d'injection de carburant tels que décrits ci-dessus. La présente invention concerne enfin une turbomachine, en particulier pour hélicoptère, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes d'injection de carburant tels que décrits 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, faîte 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 annulaire de combustion de turbomachine, cette chambre étant équipée d'un système d'injection de carburant selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale et à plus grande échelle d'un système d'injection de carburant selon l'invention ; - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en coupe selon les lignes AA et BB de la figure 2, respectivement ; et - les figures 5 et 6 sont des vues très schématiques partielles de face des 10 moyens de support et du bol, respectivement, du système d'injection de la figure 2. 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 15 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 20 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, le carburant étant amené par des injecteurs 28 régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre. Chaque injecteur comprend une tête 30 d'injection 25 de carburant engagée dans un système d'injection 26 et alignée sur l'axe A d'un orifice 24 de la paroi de fond de chambre 18. Une partie du débit d'air 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, et est ensuite mélangé au carburant 30 amené par l'injecteur 28 et pulvérisé dans la chambre de combustion 10. Le système d'injection 32 selon l'invention, représenté en figure 2, comporte à l'amont des moyens 34 de support et de centrage de la tête 30 d'un injecteur et à l'aval un bol 36 de forme sensiblement tronconique qui est aligné axialement avec les moyens de support 34, les moyens de support 34 comportant une seule rangée annulaire d'orifices 38 de passage d'air destiné à se mélanger au carburant amené par la tête 30. Les moyens de support 34 comportent à l'amont un cône 40 de centrage de la tête 30 d'injecteur, qui est évasé vers l'amont et est reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont d'une paroi 42 sensiblement tronconique convergeant vers l'aval. Cette paroi tronconique 42 comprend à son extrémité amont une surépaisseur annulaire de matière dans laquelle sont formés les orifices 38. La paroi 42 définit une cavité annulaire interne dans laquelle se mélangent le carburant amené par la tête 30 d'injecteur et une partie de l'air provenant des orifices 38, l'autre partie de l'air sortant des orifices étant destinée à balayer l'extrémité de la tête 30 ainsi que la surface interne du bol 36 pour y éviter le dépôt de coke. Les orifices 38 sont régulièrement répartis autour de l'axe A. Le nombre d'orifices 38 est compris entre 10 et 20 et leur diamètre est compris entre 0,8 et 1,2mm environ. Ces orifices 38 sont inclinés en direction axiale d'un angle a, compris entre 70 et 75° environ, par rapport à l'axe A, et en direction circonférentielle d'un angle p, compris entre 50 et 60° environ (figure 3). Les orifices 38 débouchent à leurs extrémités radialement internes et 25 externes sur des surfaces tronconiques s'évasant vers l'aval. Dans l'exemple représenté, les débouchés radialement externes des orifices 38 sont situés sur une circonférence, centrée sur l'axe A, dont le diamètre Dl est supérieur au diamètre D2 de l'extrémité amont du cône 40. En variante, le diamètre Dl peut être inférieur ou égal au diamètre 30 D2. Dans ce cas, l'extrémité amont du cône 40 comporte des encoches 44 radiales, régulièrement réparties autour de l'axe A (figure 5). Le nombre de ces encoches 44 est égal à celui des orifices 38, et elles sont alignées axialement deux à deux avec ces orifices. Une partie du flux d'air sortant du diffuseur 12 passe axialement au niveau dans les encoches 44 du cône 40 et alimente les orifices 38 des moyens de support 34 de chaque système d'injection 32. Le bol 36 du système d'injection 32 comprend à son extrémité aval une collerette annulaire 46 s'étendant radialement vers l'extérieur. Le bol 36 comporte ici deux rangées annulaires d'orifices de passage d'air : une première rangée d'orifices 48 radialement internes orientés d'amont en aval vers l'intérieur et débouchant sur la surface interne du bol, et une seconde rangée d'orifices 50 radialement externes débouchant en amont de la collerette 46. Le flux d'air sortant des orifices 48 est utilisé pour piloter la nappe du mélange air-carburant sortant du système d'injection 32 et le flux d'air sortant des orifices 50 impacte la collerette 46 en vue de son refroidissement. Les orifices 48 sont inclinés en direction circonférentielle, par exemple d'un angle y compris entre 20 et 30° environ (figure 4). Ils sont également inclinés en direction axiale. Les orifices 48 sont disposés en quinconce par rapport aux orifices 50, comme cela est schématiquement représenté en figure 6. La perméabilité du système d'injection 32 est inférieure ou égale à 50-60mm2 environ, les orifices 38, 48 et 50 formant respectivement 30 à 50%, 30 à 50% et 10 à 20% de cette perméabilité. Le diamètre de la collerette 46 est égal ou légèrement supérieur à 15mm. REVENDICATIONS1. Système (32) d'injection de carburant pour une chambre annulaire (10) de combustion de turbomachine, comportant des moyens (34) de support et de centrage d'une tête (30) d'injecteur et un bol (36) agencé en aval des moyens de support, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de vrille et de venturi, et en ce que les moyens de support comprennent une seule rangée annulaire d'orifices (38) de passage d'air qui est au moins en partie destiné à se mélanger au carburant amené par la tête d'injecteur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de support (34) comprennent une paroi (42) sensiblement tronconique convergeant vers l'aval, cette paroi étant reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont du bol (36), et à son extrémité amont à l'extrémité aval de plus petit diamètre d'un cône (40) de centrage de la tête (30) d'injecteur. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rangée d'orifices (38) des moyens de support (34) est située à l'extrémité amont de la paroi tronconique (42). 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les débouchés radialement externes des orifices (38) des moyens de support (34) sont situés sur une circonférence dont le diamètre (Dl) est inférieur à celui (D2) de l'extrémité amont de plus grand diamètre du cône de centrage (40), cette extrémité du cône comportant des encoches radiales (44) qui sont chacune alignées axialement avec un des orifices (38) des moyens de support pour favoriser leur alimentation en air. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices (38) des moyens de support sont inclinés en direction axiale, par exemple d'un angle (a) compris entre 70 et 75°, et en direction circonférentielle, par exemple d'un angle ((3) compris entre 50 et 60°. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bol (36) comporte au moins une rangée annulaire d'orifices (48, 50) de passage d'air. 7. Système selon l'ensemble des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que des orifices (48) du bol (36) sont inclinés en direction circonférentielle dans le même sens ou dans le sens opposé à celui des orifices (38) des moyens de support (34). 8. Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que sa perméabilité, c'est-à-dire la somme des sections des orifices (38, 48, 50) des moyens de support (34) et du bol (36), est inférieure ou égale à 50-60mm2. 9. Chambre annulaire de combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes (32) d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes. 10. Turbomachine, en particulier pour hélicoptère, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes (32) d'injection de carburant selon l'une des revendications 1 à 8.