Brevet FR2956724A1 — 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 telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. 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. Un système d'injection de carburant classique comprend des moyens de support et de centrage de la tête d'un injecteur de carburant et un bol de forme sensiblement tronconique, qui est disposé en aval des 15 moyens de support et de centrage de la tête de l'injecteur, coaxialement à ces moyens, et qui comprend à son extrémité aval une collerette annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur. Le système d'injection de carburant comporte plusieurs rangées annulaires d'orifices de passage d'air, cet air étant destiné à se mélanger 20 au carburant amené par la tête d'injecteur, à empêcher le dépôt de coke sur le système d'injection, et/ou à refroidir des éléments de ce système d'injection. La collerette annulaire précitée du système d'injection est soumise en fonctionnement à un rayonnement thermique important et est refroidie 25 par de l'air qui vient impacter sa surface radiale amont, cet air sortant d'orifices formés dans le système d'injection. Cet air vient sur une partie radialement interne de la collerette et est destiné à s'écouler radialement de l'intérieur vers l'extérieur le long de la surface radiale amont de la collerette, en vue de son refroidissement. Du fait du rayonnement précité, il apparaît un gradient thermique relativement important en direction radiale dans la collerette, sa partie radialement externe étant plus chaude que sa partie radialement interne. On a déjà proposé de prévoir sur la surface radiale aval de la collerette une barrière thermique destinée à réduire l'échauffement de la collerette par le rayonnement précité. Cependant, bien que cette solution permette de réduire la température de la collerette, elle n'est pas toujours optimale pour réduire les gradients thermiques dans la collerette. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 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 et de centrage et comportant à son extrémité aval une collerette annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur et qui est refroidie par impact d'air sur sa surface radiale amont, caractérisé en ce que la collerette comporte des moyens formés en saillie ou en creux sur sa surface radiale amont et destinés à perturber l'écoulement de l'air de refroidissement et à augmenter la surface d'échange thermique entre cet air et la collerette. Ces moyens provoquent des perturbations dans le flux d'air de refroidissement s'écoulant sur la surface radiale amont de la collerette, radialement de l'intérieur vers l'extérieur, et augmentent la surface d'échange thermique entre cet air de refroidissement et la collerette. Ces moyens favorisent le refroidissement de la collerette par circulation de l'air de refroidissement, la collerette étant ainsi refroidie à la fois par impact et circulation de l'air de refroidissement sur la collerette. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens précités comprennent au moins une rangée annulaire de picots ou pions en saillie sur la surface radiale amont de la collerette. Ces picots ou pions peuvent avoir une forme quelconque telle que par exemple cylindrique, oblongue, conique, tronconique, etc. Ils peuvent être rapportés et fixés sur la surface amont de la collerette ou usinés directement sur la collerette. Le flux d'air de refroidissement est destiné à s'écouler au moins en partie entre les picots, radialement de l'intérieur vers l'extérieur. Les picots de la ou de chaque rangée sont préférentiellement régulièrement répartis autour de l'axe de la collerette. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens précités comprennent deux ou trois rangées annulaires de picots, qui sont 10 disposées les unes autour des autres. Avantageusement, les picots d'une rangée sont disposés en quinconce par rapport aux picots d'une autre rangée, de façon à augmenter les perturbations dans le flux d'air de refroidissement. Les rangées peuvent comprendre un même nombre de picots. Les 15 picots d'une rangée ont un diamètre et/ou une hauteur ou dimension axiale qui peuvent être identiques ou différents de ceux des picots de la ou des autres rangées. Le diamètre des picots d'une rangée externe peut être déterminé de façon à ce que l'intervalle entre les picots de cette rangée soit inférieur ou 20 égal à l'intervalle entre les picots de la ou d'une rangée interne. Cet intervalle définit la section de passage du flux d'air de refroidissement précité. Lorsque l'intervalle entre les picots des différentes rangées est identique, la section de passage du flux d'air est constante depuis la partie radialement interne jusqu'à la partie radialement externe de la collerette, et 25 le flux d'air reste sensiblement le même. Lorsque l'intervalle entre les picots d'une rangée externe est inférieur à celui entre les picots d'une rangée interne, la section de passage du flux d'air de refroidissement diminue et donc la vitesse de l'air augmente lorsqu'il passe entre les picots de la rangée externe. 30 La hauteur ou dimension axiale des picots d'une rangée externe peut être supérieure ou égale à celle des picots de la ou d'une rangée interne. Lorsque la hauteur des picots d'une rangée externe est supérieure à celle des picots d'une rangée interne, les surfaces d'échange thermique des picots de la rangée externe sont plus importantes, ce qui améliore le refroidissement de la partie annulaire radialement externe de la collerette, sur laquelle est disposée cette rangée. 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, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, 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, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une chambre annulaire de combustion de turbomachine, cette chambre étant équipée d'un système d'injection de carburant selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de la collerette annulaire du système d'injection de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue très schématique de la surface radiale amont de la collerette de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue très schématique de la surface radiale amont de la collerette d'une variante de réalisation du système d'injection selon l'invention ; et - la figure 5 est une demi-vue schématique en coupe axiale de la collerette d'une autre 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 10 étant agencée en sortie d'un diffuseur (non représenté), lui-même situé en sortie d'un compresseur (non représenté). La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 12 et une paroi de révolution externe 14 qui sont reliées en amont par une paroi annulaire 16 de fond de chambre. Un carénage annulaire 18 est fixé sur les extrémités amont des parois 12, 14 de la chambre et comprend des ouvertures 20 de passage d'air alignées avec des orifices 22 de la paroi 16 de fond de chambre dans lesquels sont montés des systèmes 24 d'injection de carburant, le carburant étant amené par des injecteurs régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre. Chaque injecteur comprend une tête 26 d'injection de carburant engagée dans un système d'injection 24 et alignée sur l'axe A d'un orifice 22 de la paroi 16 de fond de chambre. Une partie du débit d'air fourni par le compresseur et sortant du diffuseur pénètre dans l'enceinte annulaire délimitée par le carénage 18, passe dans les systèmes d'injection 24, et est ensuite mélangée au carburant amené par les injecteurs et pulvérisé dans la chambre de combustion 10. Chaque système d'injection 24 comporte à l'amont des moyens 28 de support et de centrage de la tête 26 de l'injecteur et à l'aval un bol 30 de forme sensiblement tronconique qui est aligné axialement avec les moyens de support 28. Dans l'exemple représenté, un déflecteur annulaire 36 est monté dans l'orifice 22 de la paroi 16 de fond de chambre, autour du bol 30 du système d'injection 24. Ce déflecteur 36 a en section une forme sensiblement en L et comprend une paroi cylindrique amont engagée dans l'orifice 22 et une paroi radiale aval s'étendant sensiblement parallèlement à la collerette 32, en aval de la paroi 16 de fond de chambre. La paroi cylindrique du déflecteur 36 définit avec une paroi cylindrique 38 du système d'injection une rangée annulaire d'orifices 40 de 30 passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter une collerette annulaire 32 du système d'injection 24, qui s'étend radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval du bol 30. Cette collerette 32 est exposée en fonctionnement à un rayonnement important du côté aval et est refroidie par l'air sortant des orifices 40 et venant impacter sa surface radiale amont 34. Selon l'invention, des moyens sont prévus sur cette surface radiale amont 34 de la collerette 32 afin d'augmenter la surface d'échange thermique entre la collerette et l'air précité et de perturber l'écoulement centrifuge de cet air, et ainsi de limiter l'apparition d'un gradient thermique radial dans la collerette en fonctionnement. Ces moyens sont ici formés par des picots ou pions 42 en saillie sur la surface radiale amont 34 de la collerette 32. Dans l'exemple représenté aux figures 1 à 3, la collerette 32 comprend trois rangées annulaires de picots 42 qui sont disposées les unes autour des autres : une rangée annulaire interne 44, une rangée annulaire intermédiaire 46 et une rangée annulaire externe 48. Les rangées 44, 46 et 48 ont toutes le même nombre de picots 42 qui est égal au nombre d'orifices 40 précités de passage d'air. Le nombre de picots 42 par rangée est par exemple de l'ordre de 60 à 90. Les picots 42 ont ici une forme sensiblement cylindrique et ont tous les mêmes dimensions. Les picots 42 ont un diamètre D compris entre 0,4 et 0,8mm environ et une hauteur ou dimension axiale comprise entre 0,5 et l mm environ. L'intervalle F3 entre les picots 42 de la rangée externe 48 est supérieur à l'intervalle F2 entre les picots de la rangée interne 44, qui est lui-même supérieur à l'intervalle F1 entre les picots de la rangée interne 42. Du fait de l'augmentation de l'intervalle entre les picots, entre la partie radialement interne et la partie radialement externe de la collerette, le flux d'air qui s'écoule entre les picots, radialement de l'intérieur vers l'extérieur le long de la surface 34, diminue. Les picots 42 de la rangée radialement interne 44 sont disposés en quinconce par rapport aux débouchés des orifices 40 précités d'injection d'air sur la collerette, de façon à ce que les flux d'air 50 délivrés par ces orifices soient injectés entre les picots 42 de la rangée interne 44, comme cela est schématiquement représenté en figure 3. Les picots de la rangée intermédiaire 46 sont disposés en quinconce par rapport aux picots de la rangée interne 44, et les picots de la rangée externe 48 sont disposés en quinconce par rapport aux picots de la rangée intermédiaire. Autrement dit, les picots des rangées interne 44 et externe 48 sont alignés deux à deux en direction radiale, et les picots de la rangée intermédiaire 46 sont alignés radialement deux à deux avec les débouchés des orifices 40. Dans la variante représentée en figure 4, les picots 42' de la rangée interne 44' ont un diamètre Dl inférieur au diamètre D2 des picots de la rangée intermédiaire 46', qui est lui-même inférieur au diamètre D3 des picots de la rangée externe 48'. Ces diamètres D1, D2 et D3 sont déterminés de façon à ce que l'intervalle F entre les picots des trois rangées soit le même. Le flux d'air qui s'écoule de l'intérieur vers l'extérieur le long de la surface radiale amont 34' de la collerette 32' est ainsi constant. Dans la variante représentée en figure 5, les picots 42' de la rangée interne 44" ont une hauteur h1 ou dimension axiale inférieure à la hauteur h2 des picots de la rangée intermédiaire 46', qui est elle-même inférieure à la hauteur h3 des picots de la rangée externe 48'. Ceci permet d'augmenter les surfaces d'échange thermique entre l'air et la collerette à mesure que le flux d'air s'écoule de l'intérieur vers l'extérieur le long de la surface radiale amont 34" de la collerette 32". Dans encore une autre variante non représentée, les moyens prévus sur la surface radiale amont de la collerette peuvent comprendre des ailettes ou des rainures ou tout autre moyen susceptible de perturber l'écoulement du flux d'air injecté sur la collerette et d'augmenter la surface d'échange thermique entre la collerette et de flux d'air. REVENDICATIONS1. Système (24) d'injection de carburant pour une chambre annulaire (10) de combustion de turbomachine, comportant des moyens (28) de support et de centrage d'une tête (26) d'injecteur de carburant et un bol (30) agencé en aval des moyens de support et comportant à son extrémité aval une collerette annulaire (32) s'étendant radialement vers l'extérieur et qui est refroidie par impact d'air sur sa surface radiale amont (34), caractérisé en ce que la collerette comporte des moyens (42) qui sont formés en saillie ou en creux sur sa surface radiale amont et sont destinés à perturber l'écoulement de l'air de refroidissement et à augmenter la surface d'échange thermique entre cet air et la collerette. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens précités comprennent au moins une rangée annulaire de picots ou pions (42) en saillie sur la surface radiale amont (34) de la collerette (32), les picots (42) de la ou de chaque rangée étant régulièrement répartis autour de l'axe (A) de la collerette (32). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens précités comprennent deux ou trois rangées annulaires de picots (42), qui sont disposées les unes autour des autres. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les picots (42) d'une rangée sont disposés en quinconce par rapport aux picots d'une autre rangée. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que 25 les rangées comprennent un même nombre de picots (42). 6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les picots (42) d'une rangée ont un diamètre (D1, D2, D3) et/ou une hauteur (h1, h2, h3) ou dimension axiale qui sont identiques ou différents de ceux des picots de la ou des autres rangées. 30 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le diamètre (D1, D2, D3) des picots (42) d'une rangée externe est déterminéde façon à ce que l'intervalle (F) entre les picots de cette rangée soit inférieur ou égal à l'intervalle entre les picots de la ou d'une rangée interne. 8. Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la hauteur (h1, h2, h3) ou dimension axiale des picots (42) d'une rangée externe est supérieure ou égale à celle des picots de la ou d'une rangée interne. 9. Chambre annulaire de combustion de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes (24) d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes. 10. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes (24) d'injection de carburant selon l'une des revendications 1 à 8.