Brevet FR2975467A1 — publié le 20121123

Système d'injection de carburant pour une chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne un système d'injection de carburant 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 des orifices dans chacun desquels est monté un système d'injection de carburant. Les demandes FR-A1-2 918 716, FR-A1-2 925 146 et FR-A1-2 941 288 décrivent des systèmes d'injection de carburant pour turbomachine. Un système d'injection classique comprend des moyens de support et de centrage d'une tête d'injecteur, et des vrilles primaire et secondaire qui sont montées en aval des moyens de support, coaxialement à ces moyens, et qui délivrent chacune des flux d'air radiaux en aval de l'injecteur afin de réaliser un mélange d'air et de carburant destiné à être injecté puis brûlé dans la chambre de combustion. L'air sortant de la vrille primaire est accéléré dans un venturi intercalé entre les deux vrilles. Un bol mélangeur de forme tronconique est monté en aval des vrilles pour la pulvérisation du mélange air/carburant qui entre dans la chambre de combustion. Les vrilles du système d'injection comportent chacune une pluralité d'aubages sensiblement radiaux délimitant entre eux des canaux 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 d'injecteur 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 pour la ventilation du venturi. 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 flux d'air sortant des orifices de purge de la bague perturbe le flux d'air tourbillonnaire délivré par la vrille primaire, ce qui entraîne des turbulences et des recirculations du mélange air- carburant dans le venturi 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). 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, un bol mélangeur agencé en aval des moyens de support, et au moins une vrille radiale située entre les moyens de support et le bol, cette vrille comportant des aubages délimitant entre eux des canaux de passage d'un flux d'air, caractérisé en ce que les canaux sont contenus dans un plan radial et les bords de fuite ou extrémités radialement internes des aubages de la vrille s'étendent sur une surface tronconique interne évasée vers l'aval autour de l'axe longitudinal du système d'injection. Selon l'invention, le flux d'air tourbillonnant délivré par la vrille du système d'injection est destiné à balayer et ventiler la tête de l'injecteur et le venturi et à se mélanger au carburant injecté dans la chambre. La vrille assure donc en plus de sa fonction principale une fonction similaire à celle des orifices de purge de la technique antérieure et peut donc être considérée comme une vrille « purgeuse ». Le système d'injection selon l'invention est donc avantageusement exempt d'orifices de purge du type précité, ce qui permet de supprimer les turbulences liées à l'interaction des flux d'air sortant des orifices de purge et de la vrille de la technique antérieure, ainsi que les risques de dépôt de coke sur le venturi dus à ces turbulences. Le bord de fuite de chaque aubage de la vrille peut comprendre une surface incurvée (concave vers l'intérieur) et inclinée d'amont en aval vers l'extérieur. La surface tronconique sur laquelle s'étendent les bords de fuite a un angle d'ouverture de l'ordre de 45 à 65° par exemple, qui correspond sensiblement à celui de la nappe de carburant pulvérisé par l'injecteur dans le système. Les bords de fuite des aubages s'étendent donc parallèlement à la surface périphérique externe de la nappe de carburant, ce qui facilite le mélange de l'air et du carburant dans le venturi. Par ailleurs, la suppression des orifices de purge permet de réduire le nombre d'orifices du système d'injection par rapport à ceux de la technique antérieure et d'augmenter le diamètre des orifices restants pour une perméabilité donnée du système (égale à la somme des sections efficaces des orifices et des canaux de passage d'air du système), ce qui facilite leur usinage et diminue leur coût de réalisation, et permet de réaliser un système d'injection de faible diamètre pour une turbine de petite taille. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de support comportent une surface cylindrique interne qui est destinée à entourer la tête de l'injecteur, et qui est reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont de plus petit diamètre de la surface tronconique sur laquelle s'étendent les bords de fuite des aubages de la vrille. Le bol mélangeur peut comporter à son extrémité aval une collerette annulaire externe refroidie par impact d'un flux d'air traversant une rangée annulaire d'orifices du bol. Avantageusement, ces orifices sont situés sur une circonférence dont le diamètre est supérieur au diamètre externe des moyens de support et/ou de la vrille, de façon à faciliter l'alimentation en air de ces orifices par l'air provenant du diffuseur situé en amont du système d'injection et de la chambre de combustion. Les canaux de la vrille peuvent avoir une section sensiblement constante sur toute leur dimension radiale. En variante, les canaux de la vrille ont une section qui diminue radialement de l'extérieur vers l'intérieur. Ces canaux peuvent avoir une section de forme carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. De préférence, la vrille est formée d'une seule pièce avec les moyens de support. La vrille peut comprendre à son extrémité aval un rebord périphérique cylindrique d'accrochage sur le venturi situé entre la vrille et le bol mélangeur. Avantageusement, les aubages de la vrille comprennent des orifices axiaux communiquant avec des orifices axiaux formés dans le venturi pour le passage d'un flux d'air destiné à s'écouler le long de la surface externe du venturi et de la surface interne du bol. Ces orifices permettent de créer un film d'air de purge du divergent du bol pour y empêcher le dépôt de coke et de suie. Les orifices axiaux de la vrille sont alimentés par de l'air provenant directement du diffuseur, ce qui est avantageux. En effet, dans la technique antérieure, le film d'air provient d'orifices radiaux formés dans une paroi cylindrique du venturi, cet air devant contourner la vrille amont et alimentant ces orifices en statique, ce qui réduit l'efficacité de la purge du bol et favorise les recirculations d'air. Les canaux de passage d'air de la vrille peuvent être formés par des fentes sensiblement radiales formées à l'extrémité aval de la pièce formant les moyens de support et la vrille, et débouchant axialement vers l'aval, ces fentes étant destinées à être obturées en position de montage par une face radiale amont du venturi. 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 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 à plus grande échelle du système d'injection de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d'un système d'injection selon l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique en perspective du système d'injection de la figure 4, vu de l'amont et de côté ; - la figure 6 est une vue schématique en perspective de la vrille du système d'injection de la figure 4, vue de l'aval et de côté ; - la figure 7 est une vue de la face aval d'une vrille selon une variante de réalisation du système d'injection selon l'invention ; et - la figure 8 est une vue correspondant à la figure 4 et représentant la variante de réalisation du système d'injection de la figure 7. 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, 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 de carburant engagée dans un système d'injection 26 et 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, et est ensuite mélangée au carburant amené par l'injecteur 28 et pulvérisée dans la chambre de combustion 10. Un système d'injection 26 de la technique antérieure, mieux visible en figure 2, comporte deux vrilles coaxiales, une vrille amont ou interne 34 et une vrille aval ou externe 36, qui sont séparées l'une de l'autre pas un venturi 38 et qui sont reliées en amont à des moyens 40 de support de la tête 30 de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur 42 qui est monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre. Les vrilles 34, 36 comprennent chacune une pluralité d'aubages s'étendant sensiblement radialement autour de l'axe A des vrilles et régulièrement réparties autour de cet axe pour délivrer des flux d'air tourbillonnants en aval de la tête d'injection 30. Les aubes délimitent entre elles des canaux de passage d'air, qui sont inclinés ou incurvés autour de l'axe A des vrilles. Les moyens 40 de support de la tête d'injection 30 comprennent une bague 44 traversée axialement par la tête d'injection 30 et montée coulissante dans une douille 46 fixée sur la vrille interne 34. La bague 44 comprend un rebord annulaire 48 s'étendant radialement vers l'extérieur et logé dans une gorge annulaire de la douille 46, le diamètre interne de la gorge de la douille 46 étant supérieur au diamètre externe du rebord 48 de la bague 44. Le rebord 48 de la bague 44 comporte des orifices de purge 50 sensiblement axiaux pour le passage d'un flux d'air destiné à balayer la tête 30 de l'injecteur pour éviter un retour de flamme vers l'injecteur en fonctionnement. Le bol mélangeur 42 a une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 52, s'étendant vers l'amont et monté axialement dans l'ouverture 24 de la paroi 18 de fond de chambre. L'extrémité amont de la paroi tronconique du bol 42 est reliée à une pièce annulaire intermédiaire 54 fixée sur la vrille externe 36. La paroi tronconique du bol 42 comporte une rangée annulaire d'orifices 56 de passage d'air, s'étendant autour de l'axe A. Le bol 42 comporte en outre, au voisinage de son rebord 52, une seconde rangée annulaire d'orifices 58 de passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter sur une collerette annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol. Le venturi 38 a en section une forme sensiblement en L et comprend à son extrémité amont un rebord annulaire externe 60 s'étendant radialement vers l'extérieur et intercalé axialement entre les deux vrilles 34, 36. Le venturi 38 s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille externe 36 et sépare les écoulements d'air issus des vrilles interne 34 et externe 36. Le venturi 38 délimite intérieurement une chambre de prémélange dans laquelle une partie du carburant éjecté se mélange au flux d'air délivré par la vrille interne 34, ce prémélange air/carburant se mélangeant ensuite en aval du venturi au flux d'air provenant de la vrille externe 36 pour former un cône de carburant pulvérisé à l'intérieur de la chambre. Cependant, cette technologie de système d'injection présente les inconvénients décrits plus haut, qui sont liés à la perturbation du flux d'air 68 provenant de la vrille interne 34 par le flux d'air délivré par les orifices de purge 50. Comme cela est représenté en figure 3, le nombre d'aubages de la vrille interne 34 est différent de celui des orifices de purge 50 et les positions angulaires des orifices et des aubages autour de l'axe A sont définies aléatoirement. Le flux d'air 68 délivré par la vrille et celui sortant des orifices 50 s'entrecroisent ce qui crée des recirculations 70 et des hétérogénéités azimutales du débit d'air d'alimentation du venturi 38. De plus, l'alimentation en air des orifices 58 du bol mélangeur 42 n'est pas optimale car cet air qui provient du diffuseur situé en amont doit contourner la périphérie des moyens de support 40 pour parvenir à l'entrée des orifices 58 (flèche 72 en figure 2) L'invention permet de remédier à ces problèmes grâce à un système d'injection comportant une vrille purgeuse, c'est-à-dire une vrille délivrant un flux d'air tourbillonnant destiné à la fois à balayer la tête de l'injecteur et la surface interne du venturi (et ainsi à assurer une fonction de purge) et à se mélanger au carburant amené par l'injecteur. Selon l'invention, une vrille purgeuse comprend des aubages sensiblement radiaux dont les bords de fuite radialement interne sont inclinés d'amont en aval vers l'extérieur et s'étendent sur une surface tronconique évasée vers l'aval autour de l'axe A du système d'injection. Dans l'exemple représenté aux figures 4 à 6, les moyens 140 de support de la tête 130 de l'injecteur et la vrille amont 134 ou interne sont formés d'une seule pièce. Les moyens de support 140 comporte une surface cylindrique interne 174 dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont de la surface tronconique 176 définie par les bords de fuite 178 des aubages 180 de la vrille 134. Comme cela est mieux visible en figure 6, le bord de fuite 178 de chaque aubage 180 comprend une surface incurvée concave vers l'intérieur et inclinée d'amont en aval vers l'extérieur. Les moyens de support 140 comportent une paroi cylindrique 184 définissant intérieurement la surface cylindrique 174 précitée et reliée à son extrémité amont à une paroi tronconique 182 évasée vers l'amont, et à son extrémité aval à une paroi radiale 186 s'étendant vers l'extérieur. Les aubages 180 de la vrille 134 sont reliés à leurs extrémités amont à la paroi radiale 186 des moyens de support 140. Les canaux 188 délimités par les aubages 180 de la vrille sont formés par des fentes débouchant axialement vers l'aval et obturées par une face radiale amont d'un venturi 138 séparant la vrille 134 du bol 142. De plus, les aubages 180 comprennent à leurs extrémités aval un rebord périphérique externe 189 de forme cylindrique qui sert au centrage et à l'accrochage de la vrille sur le venturi 138. Chaque aubage 180 de la vrille 134 comporte un rebord périphérique externe en portion de cylindre (figures 5 et 6) Comme cela est représenté en figure 4, les bords de fuite 178 des aubages de la vrille 134 s'étendent parallèlement à la surface périphérique externe de la nappe de carburant 190 qui est délivrée sous forme d'un cône par l'injecteur. Dans le cas où l'injecteur est équipé de deux circuits de carburant, il peut fournir deux nappes de carburant coaxiales, une première nappe de carburant 192 en forme de cône ayant un angle d'ouverture a1 et une seconde nappe de carburant 190 coaxiale en forme de cône ayant un angle d'ouverture a2 (supérieur à a1). La première nappe de carburant 192 peut être optimisée au démarrage du moteur et pour le régime plein gaz et la seconde nappe 190 peut être optimisée pour la plage de régime allant du démarrage au plein gaz. Avantageusement, les bords de fuite 178 des aubages 180 de la vrille 134 sont parallèles à la surface périphérique externe de la seconde nappe de carburant 190, et forme donc un angle a2 avec l'axe A, a2 étant par exemple compris entre 45 et 65°. Les bords de fuite 178 des aubages 180 sont situés à une même distance de la surface périphérique externe de la nappe 190. La quantité de mouvement du flux d'air délivré par la vrille 134 est constante sur toute la dimension axiale de la vrille. Ce flux d'air cisaille la nappe de carburant 190 de manière identique sur toute la dimension axiale de la vrille. De plus, la partie 194 du flux d'air sortant au niveau des parties d'extrémité amont des bords de fuite 178 des aubages 180 est destinée à purger l'extrémité de la tête 130 de l'injecteur et à cisailler la nappe de carburant 190 sans perturbation. Dans l'exemple représenté, les canaux 188 de la vrille 134 ont une section de forme carrée qui est constante sur toute la dimension radiale de la vrille. Comme cela est visible aux figures 4 à 6, un orifice axial 196 de passage d'air est formé dans chaque aubage 180 et communique avec un orifice axial 197 de passage d'air du venturi 138. Les orifices 196 débouchent à leurs extrémités amont sur la face radiale amont de la paroi radiale 186 des moyens de centrage, et les orifices 197 débouchent à leurs extrémités aval radialement à l'extérieur du venturi 138. L'air 198 qui sort des orifices 197 est destiné à circuler sur la surface externe du venturi et à former un film d'air de purge de la surface radialement interne du bol 142, pour empêcher le dépôt de coke sur cette surface. Le bol mélangeur 142 du système d'injection est monté en aval de la vrille 136 et comporte, comme dans la technique antérieure, une paroi sensiblement tronconique évasée vers l'aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 152, s'étendant vers l'amont. La paroi tronconique comporte une rangée annulaire d'orifices 156 de passage d'air, s'étendant autour de l'axe A. Le rebord 152 comporte une rangée annulaire d'orifices 158 de passage d'air, cet air étant destiné à venir impacter sur une collerette annulaire 159 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la paroi tronconique du bol. Les rangées d'orifices 156, 158 sont situées sur des circonférences dont les diamètres sont sensiblement égaux ou supérieurs au diamètre externe maximal des moyens de support 140 et de la vrille 134. Le flux d'air 161 qui alimente ces orifices ne contourne donc pas le système d'injection ce qui limite les perturbations de ce flux et optimise l'alimentation des orifices 156, 158. L'invention permet (par la suppression des orifices de purge), pour une perméabilité donnée du système d'injection, d'optimiser avec précision le diamètre des orifices 156, 158 du bol mélangeur et les dimensions des canaux des vrilles 134, 136. Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, les sections cumulées des orifices 158 du bol mélangeur et des canaux de la vrille externe 136 représente 20 à 30% de la perméabilité totale du système, les sections cumulées des orifices 156 du bol mélangeur et des canaux 188 de la vrille interne 134 représentant 70 à 80% de cette perméabilité. 70 à 80% du débit d'air alimentant le système d'injection est donc destiné à se mélanger au carburant amené par l'injecteur. Dans la variante de réalisation des figures 7 et 8, le système d'injection diffère de celui précédemment décrit en ce que les canaux 288 de sa vrille interne 234 ont une section qui diminue radialement de l'intérieur vers l'extérieur. La largeur L1 ou dimension circonférentielle de chaque canal 288 au niveau des extrémités aval des bords de fuite 276 des aubages 280 s'étendant de part et d'autre de ce canal, est supérieure à celle de ce même canal au niveau des extrémités amont des bords de fuite précités (figure 7). La section de sortie de l'air au niveau des bords de fuite 276 des aubages 280 est donc plus importante au niveau des extrémités aval des bords de fuite qu'à leurs extrémités amont. Du fait que cette section est calibrante, la quantité de mouvement de l'air est plus importante à l'extrémité aval de la vrille qu'à son extrémité amont (flèches 294) et augmente de manière régulière entre son extrémité amont et son extrémité aval du fait de l'augmentation de la largeur de sortie des canaux entre ces extrémités. Dans encore une autre variante non représentée, la section des canaux de la vrille interne du système d'injection peut avoir une forme rectangulaire ou trapézoïdale, et non pas carrée comme dans les exemples décrits ci-dessus. Dans le cas où cette section est trapézoïdale, chaque aube de la vrille peut avoir ses faces latérales qui convergent de l'aval vers l'amont. REVENDICATIONS1. Système d'injection de carburant pour une chambre annulaire de combustion de turbomachine, comportant des moyens (140) de support et de centrage d'une tête (130) d'injecteur de carburant, un bol mélangeur (142) agencé en aval des moyens de support, et au moins une vrille radiale (134) située entre les moyens de support et le bol, cette vrille comportant des aubages (180) délimitant entre eux des canaux (188) sensiblement radiaux de passage d'un flux d'air, caractérisé en ce que les canaux sont contenus dans un plan radial et les bords de fuite (178) ou extrémités radialement internes des aubages de la vrille s'étendent sur une surface tronconique évasée vers l'aval autour de l'axe longitudinal du système d'injection. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un venturi (138) situé entre la vrille (134) et le bol mélangeur (142) et en ce que la vrille assure une ventilation du venturi, par guidage du flux d'air sortant de la vrille le long de la surface interne du venturi. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vrille (134) comprend à son extrémité aval un rebord périphérique cylindrique (189) d'accrochage sur le venturi (138). 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les aubages (180) de la vrille (134) comprennent des orifices axiaux (196) communiquant avec des orifices axiaux (197) formés dans le venturi (138) pour le passage d'un flux d'air (198) destiné à s'écouler le long de la surface externe du venturi et de la surface interne du bol (142). 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de support (140) comportent une surface cylindrique interne (174) qui est destinée à entourer la tête (130) de l'injecteur et qui est reliée à son extrémité aval à l'extrémité amont de plus petit diamètre de la surface tronconique précitée. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bol mélangeur (142) comporte à son extrémité aval une collerette annulaire externe (159) refroidie par impact d'un flux d'air traversant une rangée annulaire d'orifices (158) du bol, et en ce que ces orifices sont situés sur une circonférence dont le diamètre est supérieur au diamètre externe des moyens de support (140) et/ou de la vrille (134). 7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (188) de la vrille (134) ont une section sensiblement constante sur toute leur dimension radiale, ou ont une section qui diminue radialement de l'extérieur vers l'intérieur. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (188) de la vrille (134) ont une section de forme carrée, rectangulaire ou trapézoïdale. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vrille (134) est formée d'une seule pièce avec les moyens de support (140). 10. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend des systèmes d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes.