Brevet FR3017415A1 — publié le 20150814

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des systèmes carburant des turbomachines, en particulier d'aéronef, et concerne plus particulièrement les systèmes d'injection de carburant. L'invention concerne plus précisément les systèmes d'injection à double circuit d'injection de carburant, qui comprennent un injecteur central, couramment appelé injecteur pilote, délivrant un débit de carburant permanent optimisé pour les bas régimes, ainsi qu'un injecteur périphérique, parfois appelé injecteur principal, qui délivre un débit de carburant intermittent optimisé pour les hauts régimes. Ces systèmes d'injection ont été développés pour permettre une meilleure adaptation de l'injection de carburant aux différents régimes de fonctionnement des chambres de combustion de ces turbomachines, afin de réduire leur émission de polluants tels que les oxydes d'azote et les fumées. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Le système carburant peut comprendre un ensemble d'injecteurs à combustible disposés dans la chambre de combustion, une pompe à carburant pour mettre sous pression du carburant à partir du réservoir de carburant, une unité de dosage de carburant FMU (acronyme anglais de Fuel Metering Unit) pour doser la quantité de carburant aux injecteurs, et un circuit d'alimentation en carburant reliant fluidiquement l'unité de dosage de carburant aux injecteurs de carburant. Les chambres de combustion à faible émission de NOx nécessitent de pouvoir répartir le carburant injecté entre au moins deux canalisations d'injection, une canalisation pilote et une canalisation principale, afin de pouvoir ajuster le débit des injecteurs en fonction de la phase de vol et d'améliorer l'homogénéité du mélange air/carburant et donc la combustion, ce qui permet de réduire le taux de polluants. A cet effet, le système carburant peut comprendre de multiples voies d'écoulement, typiquement deux séries d'injecteurs (principal et pilote), des canalisations pour chaque série et une valve de division de débit (également connue sous le terme anglais de « split valve ») agencée en aval de l'unité de dosage. Dans de tels systèmes, le carburant est délivré aux injecteurs pilotes et aux injecteurs principaux en fonction de lois d'opérabilité de la 5 turbomachine. Par exemple, pendant le démarrage de la turbomachine, le carburant est initialement fourni uniquement aux injecteurs pilotes. La canalisation principale étant à débit intermittent, le carburant qu'elle contient peut rester stagnant pendant de longues périodes, typiquement de vingt minutes à une heure. Pendant ces périodes, le 10 carburant stagnant subit donc un environnement sévère, notamment en température, qui a pour conséquence l'augmentation de la température du carburant stagnant dans la canalisation principale et donc un risque de formation de coke, ce qui peut obstruer les injecteurs principaux qui se trouvent en aval de ces canalisations. 15 Afin de prévenir la formation de coke dans les canalisations principales, de l'air pourrait être prélevé en amont du système carburant afin de refroidir les canalisations principales. Toutefois, il s'avère que cette solution a un impact sur les performances de la turbomachine. 20 RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est de proposer un système carburant, notamment pour une turbomachine d'avion, comprenant au moins deux canalisations d'alimentation en carburant configurées pour injecter du carburant dans la chambre de combustion en fonction du régime de la 25 turbomachine, permettant de limiter voire d'éviter, de manière efficace et simple de gestion, la cokéfaction du carburant susceptible de stagner dans les canalisations d'injection. Pour cela, l'invention propose un système carburant pour une turbomachine, adapté pour injecter du carburant dans une chambre de 30 combustion de la turbomachine, comprenant : - un circuit pilote adapté pour injecter du carburant dans la chambre de combustion par l'intermédiaire d'une canalisation pilote, - un circuit principal, adapté pour injecter du carburant dans la chambre de combustion par l'intermédiaire d'une canalisation principale, le système carburant étant caractérisé en ce que la canalisation principale est logée au moins partiellement dans la canalisation pilote. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du système carburant décrit ci-dessus sont les suivantes : - la canalisation principale est coaxiale à la canalisation pilote, - la canalisation principale est excentrée par rapport à la canalisation pilote, - la canalisation principale est logée dans la canalisation pilote sur toute la longueur de ladite canalisation pilote, et - le système carburant comprend en outre au moins un raidisseur, de préférence plusieurs, s'étendant entre la canalisation principale et la canalisation pilote afin de maintenir une distance minimale entre la canalisation principale et la canalisation pilote. L'invention propose également une turbomachine comprenant un système carburant comme décrit ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 une vue partielle d'une forme de réalisation d'une canalisation principale logée dans une canalisation pilote d'un système carburant conforme à l'invention, dans laquelle la canalisation pilote a été partiellement écorchée afin de permettre la visualisation de la canalisation principale, et La figure 2 représente schématiquement un exemple de système carburant conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Un système carburant 1 comprend, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement du carburant, - un réservoir 2 de carburant, - une pompe haute pression 3, adaptée pour mettre sous pression du carburant du réservoir 2, et - une unité de dosage 4 de carburant, alimentée en carburant par la pompe haute pression 3 et adaptée pour doser la quantité de carburant vers la chambre de combustion 5 par l'intermédiaire d'un circuit d'alimentation en carburant. Le circuit d'alimentation en carburant comprend ici un type d'injecteur comprenant deux circuits 10, 20 de carburant et ayant donc deux entrées 12, 22 de carburant, associées chacune à des canalisations 14, 24 d'alimentation. Plus précisément, le circuit d'alimentation comprend un circuit pilote 10, adapté pour injecter en continu du carburant dans la chambre de combustion 5 par l'intermédiaire d'injecteurs pilotes 12, et un circuit principal 20, adapté pour injecter par intermittence du carburant dans la chambre de combustion 5 par l'intermédiaire d'injecteurs principaux 22. Le débit des circuits pilote 10 et principal 20 est piloté à l'aide d'une valve de division de débit 6, disposée entre l'unité de dosage 4 et les injecteurs pilote 12 et principal 22. La valve de division de débit 6 ajuste la répartition de débit entre chaque circuit d'alimentation 10, 20 en fonction de lois d'opérabilité de la turbomachine. Afin de limiter, voire d'empêcher la cokéfaction du carburant susceptible de stagner dans les canalisations 24 des injecteurs principaux 22, l'invention propose d'utiliser la canalisation pilote 14 comme barrière de protection thermique. A cet effet, l'invention propose de loger au moins partiellement la canalisation principale 24 dans la canalisation pilote 14. En effet, la canalisation pilote 14 est toujours débitante, tandis que du carburant est susceptible de stagner dans la canalisation principale 24, dont le débit est intermittent. Ainsi, la canalisation principale 24 sera protégée de l'environnement externe par la canalisation pilote 14, dont le débit permanent permet d'isoler thermiquement la canalisation principale 24 en absorbant les calories transmises par l'environnement externe au système d'injection 1 et en les dirigeant vers la chambre de combustion 5. On comprendra que la dimension de la canalisation principale 24 et de la canalisation pilote 14 sont choisies de manière à permettre le logement partiel de la canalisation principale 24 dans la canalisation pilote 14, tout en autorisant des débits suffisants dans celles-ci. De manière générale, la section transversale (suivant un plan normal à la direction d'écoulement du carburant dans les canalisations) de la canalisation pilote 14 est donc plus grande que la section transversale de la canalisation principale 24. Ainsi, pour des canalisations tubulaires, le diamètre interne de la canalisation pilote 14 doit être plus grand que le diamètre externe de la canalisation principale 24. Par ailleurs, un espace suffisant entre la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 est ménagé pour éviter qu'elles ne se heurtent lorsqu'elles sont soumises à de fortes vibrations, ce qui pourrait les endommager. Cet espace devra être suffisamment grand pour permettre au débit pilote de circuler sans avoir trop de pertes de charges dans le circuit 10. Ainsi, dans un mode de réalisation, la canalisation principale 24 peut par exemple être maintenue à distance de la canalisation pilote 14 à l'aide de raidisseurs 7 ou tout équivalent capable de tenir en vibration et de maintenir l'écartement entre les deux canalisations 14, 24. Dans une première forme de réalisation, illustrées sur la figure 1, la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 peuvent être coaxiales, la canalisation principale 24 s'étendant de manière centrée à l'intérieur de la canalisation pilote 14. En variante, la canalisation principale 24 peut s'étendre de manière excentrée par rapport à un axe central de la canalisation pilote 14. La canalisation principale 24 peut être logée dans la canalisation pilote 14 sur tout la longueur de la canalisation pilote 14 qui s'étend entre la valve de division du débit 6 et la chambre de combustion 5. En variante, afin de ne pas modifier la connexion entre les canalisations 14, 24 et la valve 6 et la chambre de combustion 5 qui s'étendent en amont et en aval de celles-ci, la canalisation principale 24 peut n'être logée que sur une partie de la longueur de la canalisation pilote 14, de préférence dans la zone du système carburant qui subit un environnement sévère en température (soit en amont de la chambre de combustion 5). Lorsqu'à la fois la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 sont débitantes, par exemple lorsque la turbomachine est en mode croisière, la température du carburant dans la canalisation principale 24 et dans la canalisation pilote 14 sont homogènes et égales. En revanche, lorsque la canalisation principale 24 n'est pas débitante, par exemple lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, les flux thermiques au niveau de la canalisation principale 24 et de la canalisation pilote 14 sont les suivants : Flux convectif szikv de l'air extérieur vers la canalisation pilote 14 : 0Cv (Textérieure T p lote)x S extérieure où a est le coefficient d'échange de l'air extérieur, Textérieur est la température de l'air extérieur, Toote est la température de la canalisation pilote 14 et Sextérieur est la surface d'échange entre la canalisation pilote 14 et l'air extérieur. Flux conductif 0 de la canalisation -rinci-ale 24 vers la canalisation pilote 14 : (Tpn - Tncipale pilote)x S contact p e paroi30 où A est la conductivité thermique du matériau constitutif de la paroi de la canalisation principale 24, Tprincipale est la température de la canalisation principale 24, Scontact et eparoi sont respectivement la surface et l'épaisseur de la paroi de la canalisation principale 24 logée dans la canalisation pilote 14 (et immergée dans le carburant circulant dans la canalisation pilote 14). La somme du flux conductif om p de la canalisation principale 24 vers la canalisation pilote 14 et du flux convectif Oct, donne le flux total 0 de chaleur vers la canalisation pilote. Flux conductif 0. de la canalisation -ilote 14 vers la canalisation principale 24 : op m _ (TprincipaleT pilote)x Scontact e paroi Op m est donc le flux total de chaleur reçu par la canalisation principale 24. Le flux thermique reçu par la canalisation pilote 14 va échauffer le carburant la traversant. Ainsi, le carburant contenu dans la canalisation pilote 14 va s'échauffer suivant la formule suivante (le flux conductif Om p étant négligeable devant le flux convectif Oc') masse x chaleur. massique où At correspond à une durée pendant laquelle le carburant est exposé au flux thermique. La canalisation pilote 14 étant passante, le carburant contenu dans celle-ci n'est exposé au flux convectif Ocv que pendant une durée f .expo. Ainsi, lorsque le système carburant 1 est stabilisé, la température du carburant dans la canalisation pilote 14 est la suivante : T (t + At) = T (t) + ci,(1) T(to + texpo) =T(t0)+ vna(-1 extérieure - T(t .» x S extérieure i=1 e paroi masse x chaleur. .massique où T(to) est la température du carburant entrant dans la canalisation pilote 14 à l'instant to Tai) est la température du carburant dans la canalisation pilote à l'instant ti, avec ti = to+i*At et donc Tai) = T(to+i*At). Dans un cas extrême, la température de la canalisation principale 24 atteindra au plus la température maximale du carburant dans la canalisation lo pilote 14, à savoir la température du carburant contenu dans la canalisation pilote 14 au moment de son injection dans la chambre de combustion, soit ±-expo, T(to+texpo). Or, la température Tao t ) est bien inférieure à la température extérieure Textérieure. La canalisation pilote 14 forme donc bien un bouclier thermique pour 15 la canalisation principale 24. En prenant en compte les chaleurs massiques des différents éléments ainsi que les flux thermiques transitant, la température du carburant stagnant dans la canalisation principale 24 augmente donc 20 beaucoup moins vite dans le cas où la canalisation principale 24 est logée dans la canalisation pilote 14 que dans le cas usuel où les canalisations 14 et 24 sont séparées et s'étendent côte à côte. En effet, dans le cas de l'invention, une partie importante du flux thermique convectif pénétrant la canalisation pilote 14 est évacuée directement par le carburant débitant 25 dans la canalisation pilote 14 vers la chambre de combustion 5, sans être transmise par conduction à la canalisation principale 24. Dans ce qui suit, un exemple de système carburant 1 comprenant une canalisation principale 24 logée de manière coaxiale dans une 30 canalisation pilote 14 va être décrit. Dans cet exemple, l'environnement du système carburant 1 est sensiblement stabilisé avec une température extérieure de l'ordre de 193°C et une température du carburant à l'entrée dans la canalisation pilote 14 de l'ordre de 139°C. Par ailleurs, le coefficient d'échange de l'air extérieur a est ici de l'ordre de 23 W/m2/K et le flux thermique convectif Oc, de l'air extérieur vers la canalisation pilote 14 est de 25 W par mètre d'assemblage. En prenant un diamètre extérieur de 15 mm, une épaisseur de paroi eparoi de 0.9 mm et un rayon de canalisation principale 24 de 4 mm (soit une surface extérieure S'téri'r de l'ordre de 25 x 10-3 m2) et une chaleur massique de carburant de l'ordre de 2000J/kg/K, la température du carburant passant dans la canalisation pilote 12 s'élève donc d'environ 2°C par seconde. Avec un débit de l'ordre de 100L/h, le temps d'exposition f .expo du carburant à la température extérieure de 193°C dans la canalisation pilote 14 est d'environ 7 secondes. Ainsi, dans cet exemple de réalisation, le carburant traversant la canalisation pilote 14 s'échauffe d'environ 14°C entre son entrée dans la canalisation 14 et son injection dans la chambre de combustion, et arrive donc à une température de 153°C dans les injecteurs pilotes 12. On en déduit que la température du carburant contenu dans la canalisation principale 24 ne dépasse pas la température de 153°C, même lorsque celui-ci est stagnant pendant une longue durée, ce qui permet d'éviter les risques de formation de coke dans cette canalisation principale 24. En comparaison, lorsque la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 sont simplement côte à côte, la canalisation principale 24 étant le cas échéant isolée thermiquement du reste du système carburant 1 (par exemple à l'aide d'un manchon isolant enfilé sur la canalisation principale 24), la totalité du flux thermique provenant de l'extérieur, et traversant le cas échéant le manchon isolant, est dirigée vers la canalisation principale 24, ce qui échauffe bien plus le carburant qui y stagne. Typiquement, dans les conditions utilisées pour l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, la température stagnant dans la canalisation principale 24 dépasse les 190°C pendant une durée importante pouvant dépasser une trentaine de minutes, selon les lois d'opérabilité de la turbomachine, menant ainsi à la formation de coke dans la canalisation principale 24. Dans une forme de réalisation, la canalisation principale 24 peut en outre être logée dans une conduite intermédiaire, ladite conduite intermédiaire étant elle-même logée dans la canalisation pilote 14. La conduite intermédiaire peut alors être remplie d'un matériau thermiquement isolant ou d'air qui forme une barrière thermique supplémentaire entre la canalisation principale 24 et l'extérieur et réduit ainsi le flux thermique transmis à la canalisation principale 24 par la canalisation pilote 14. La configuration du système carburant 1 de l'invention, consistant à loger la canalisation principale 24 dans la canalisation pilote 14, présente l'avantage de ne pas ajouter de système supplémentaire pour effectuer la purge et élimine les contraintes importantes nécessaires pour gérer ce carburant purgé. Il permet en outre d'utiliser de manière astucieuse le débit carburant des canalisations pilotes 14 pour refroidir le débit stagnant dans les canalisations principales 24, sans ajouter d'équipement supplémentaire (type échangeur de chaleur). REVENDICATIONS1. Système carburant (1) pour une turbomachine, adapté pour 5 injecter du carburant dans une chambre de combustion (5) de la turbomachine, comprenant : - un circuit pilote (10), adapté pour injecter du carburant dans la chambre de combustion (5) par l'intermédiaire d'une canalisation pilote (14), - un circuit principal (20), adapté pour injecter du carburant dans la 10 chambre de combustion (5) par l'intermédiaire d'une canalisation principale (24), le système carburant (1) étant caractérisé en ce que la canalisation principale (24) est logée au moins partiellement dans la canalisation pilote (14). 15 2. Système carburant (1) selon la revendication 1, dans lequel la canalisation principale (24) est coaxiale à la canalisation pilote (14). 3. Système carburant (1) selon la revendication 1, dans lequel la 20 canalisation principale (24) est excentrée par rapport à la canalisation pilote (14). 4. Système carburant (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la canalisation principale (24) est logée dans la canalisation pilote 25 (14) sur toute la longueur de ladite canalisation pilote (14). 5. Système carburant (1) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre au moins un raidisseur (7), de préférence plusieurs, s'étendant entre la canalisation principale (24) et la canalisation pilote (14) 30 afin de maintenir une distance minimale entre la canalisation principale (24) et la canalisation pilote (14). 6. Turbomachine comprenant une chambre de combustion et un système carburant (1) selon l'une des revendications 1 à 5.5