Brevet FR3022986A1 — publié le 20160101

PROCEDE D'ALLUMAGE D'UNE CHAMBRE DE COMBUS I ION DE TURBOMACHINE DOMAINE TECHNIQUE Le présent exposé concerne un procédé d'allumage d'une chambre de combustion de turbomachine. Ce procédé est applicable à tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et plus particulièrement aux turboréacteurs d'avions. ARRIERE PLAN Une chambre de combustion de turboréacteur d'avion est généralement de forme annulaire, centrée sur un axe X correspondant à l'axe de rotation du rotor du turboréacteur. Elle comprend deux parois annulaires (ou viroles) et un fond de chambre s'étendant entre ces parois, dans la région amont de la chambre. Les parois annulaires et le fond de chambre délimitent l'enceinte de combustion de la chambre. Classiquement, plusieurs injecteurs de carburant sont fixés sur le fond de chambre (souvent à l'intérieur d'orifices prévus à cet effet dans le fond de chambre) et répartis régulièrement autour de l'axe X. Le carburant projeté par ces injecteurs est brûlé dans l'enceinte de combustion. Certains injecteurs comprennent deux circuits d'injection de carburant séparés, de manière à pouvoir générer deux mélanges air/carburant séparés. Conventionnellement, on appelle "circuit pilote" le circuit situé au centre de l'injecteur, qui est dédié à l'injection d'un premier mélange air/carburant dans la chambre de combustion. Le circuit pilote comprend un premier circuit d'injection de carburant et des premiers passages d'admission d'air associés. L'air traversant ces premiers passages est mélangé au carburant apporté par le premier circuit d'injection pour former le premier mélange air/carburant. On appelle "circuit principal" le circuit qui entoure le circuit pilote et qui est dédié à l'injection d'un deuxième mélange air/carburant dans la chambre de combustion. Le circuit principal comprend un deuxième circuit d'injection de carburant et des deuxièmes passages d'admission d'air associés. L'air traversant ces deuxièmes passages est mélangé au carburant apporté par le deuxième circuit d'injection pour former le deuxième mélange air/carburant. Classiquement, lors de l'allumage d'une chambre de combustion de turboréacteur, seul le circuit pilote est alimenté en carburant. Le mélange air/carburant du circuit pilote est alors allumé par une étincelle produite par une bougie d'allumage fixée à l'intérieur de la chambre de combustion. Généralement, on allume le mélange air/carburant d'un seul injecteur et la flamme se propage ensuite, de proche en proche, à l'ensemble des injecteurs. Le circuit principal n'est quant à lui alimenté en carburant qu'après avoir atteint 30% de la poussée de décollage. Bien qu'un tel procédé d'allumage soit satisfaisant, on a pu constater, dans certains cas, des problèmes d'allumage du mélange air/carburant du circuit pilote ou des problèmes de propagation de la flamme entre les injecteurs. L'invention a pour but de remédier, au moins en partie, à ces inconvénients. PRESENTATION GENERALE Le présent exposé concerne un procédé d'allumage d'une chambre de combustion de turbomachine, la chambre de combustion comprenant plusieurs injecteurs de carburant répartis au fond de la chambre de combustion. Chaque injecteur comprend un circuit pilote pour l'injection d'un premier mélange air/carburant dans la chambre de combustion, ce circuit pilote débouchant dans la chambre de combustion, au centre de l'injecteur, et un circuit principal pour l'injection d'un deuxième mélange air/carburant dans la chambre de combustion, ce circuit principal débouchant dans la chambre de combustion, autour du circuit pilote. Selon ce procédé, le circuit pilote et le circuit principal sont alimentés en carburant pour procéder à l'allumage de la chambre de combustion. On a pu constater que le fait d'alimenter en carburant les deux circuits facilitait l'allumage et permettait d'obtenir une meilleure propagation de la flamme entre les injecteurs. 3022 9 86 3 Outre les caractéristiques qui viennent d'être mentionnées plus haut, le procédé peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, considérées isolément ou selon des combinaisons techniquement possibles: - Lors de l'allumage de la chambre de combustion, le circuit pilote et le circuit 5 principal sont alimentés en carburant de sorte que les rapports d'équivalence des deux circuits sont sensiblement identiques et, de préférence, identiques. - Les rapports d'équivalence du circuit pilote et du circuit principal sont compris entre environ 0,8 et environ 1,5. Les régimes de fonctionnement de la turbomachine, également appelés 10 "régimes moteur", qui correspondent à l'allumage d'une chambre, varient en fonction des moteurs et correspondent typiquement à des vitesses de rotation du rotor de la turbomachine comprises entre 3000 et 5000 tours par minute (tr.min-1), c'est-à-dire entre 50 et 85 tours par seconde (tr.s-1). Une fois que la chambre est allumée, le régime moteur augmente 15 progressivement pour atteindre un régime stabilisé typiquement compris entre 10000 et 13000 tr.min-1, c'est-à-dire entre 165 et 235 tr.s-1. Ce régime stabilisé est typiquement atteint en 25 à 30 secondes (s). Dans certains modes de réalisation, après l'allumage de la chambre de combustion, lorsque l'accélération du rotor de la turbomachine (i.e. l'augmentation du régime 20 moteur) dépasse une valeur seuil comprise entre 2 et 3 tours par seconde au carré (tr.s-2), on diminue progressivement l'alimentation en carburant du circuit principal. Cette diminution permet d'éviter d'avoir un excès de monoxyde de carbone (CO) ou d'imbrulés et, donc, de limiter la pollution, en particulier lorsque la turbomachine fonctionne au ralenti. 25 A partir du moment où on diminue l'alimentation en carburant du circuit principal, on peut diminuer cette alimentation de sorte qu'elle devienne nulle au bout de 10 à 20 secondes. Ceci permet d'optimiser les émissions gazeuses (CO et imbrulés en particulier) pour un fonctionnement ralenti stabilisé de la turbomachine. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de réalisation. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et ne sont pas à l'échelle, ils visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. La FIG 1 représente un exemple de chambre de combustion, en demi- io coupe axiale. La FIG 2 représente un secteur du fond de chambre de la FIG 1. La FIG 3 est un graphique illustrant l'évolution du rapport "Qp/Qt" par rapport au temps. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) 15 Un exemple de réalisation est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et les avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. La FIG 1 représente un exemple de chambre de combustion 10 de 20 turboréacteur d'avion dans son environnement. Cette chambre 10 est annulaire, centrée sur l'axe X de rotation du rotor du turboréacteur. Cette chambre de combustion 10 est dite axiale car elle est plutôt orientée suivant l'axe X. L'invention pourrait toutefois s'appliquer à d'autres types de turbomachines ou à d'autres types de chambres, notamment aux chambres 25 de combustion dites radiales à retour, c'est-à-dire des chambres de combustion coudées dont une portion est orientée plutôt radialement par rapport à l'axe X. On appelle généralement "module chambre de combustion" 8 le logement recevant la chambre de combustion 10. Le module chambre de 30 combustion 8 est alimenté en air comprimé par le diffuseur 17 du turboréacteur. 3022 9 86 5 La chambre de combustion 10 comprend deux parois annulaires (ou viroles) interne 12 et externe 14. Ces parois 12, 14 sont mutuellement écartées et positionnées coaxialement autour de l'axe X. Ces parois 12, 14 sont reliées entre elles par un fond de chambre 16 s'étendant entre celles-ci, 5 dans la région amont de la chambre 10. Les parois 12, 14 et le fond 16 délimitent entre eux l'enceinte de combustion de la chambre 10. Le fond de chambre 16 présente une pluralité d'ouvertures 18 réparties régulièrement autour de l'axe de rotation X. La chambre 10 comprend également des déflecteurs 19 montés sur le fond de chambre 16, à la io périphérie des ouvertures 18, de manière à protéger le fond 16 des hautes températures atteintes lors de la combustion. A l'intérieur de chaque ouverture 18 est monté un injecteur 20. Chaque injecteur 20 peut comprendre deux circuits d'injection de carburant 31, 32 séparés de manière à pouvoir générer deux mélanges 15 air/carburant séparés. On appelle "circuit pilote" 21, le circuit qui est situé au centre de l'injecteur 20 et qui est dédié à l'injection d'un premier mélange air/carburant dans la chambre de combustion 10. Le circuit pilote 21 comprend un premier circuit d'injection de carburant 31 et des premiers passages d'admission d'air associés. L'air traversant ces premiers passages 20 est mélangé au carburant apporté par le premier circuit d'injection 31 pour former un premier mélange air/carburant 41. Ce mélange 41 est projeté sous forme de nuage sensiblement centré autour de l'axe d'injection I de l'injecteur 20, comme représenté en pointillés sur la FIG 1. On appelle "circuit principal" 22 le circuit débouchant autour du circuit pilote 21, qui est 25 dédié à l'injection d'un deuxième mélange air/carburant 42 dans la chambre de combustion 10. Le circuit principal 22 comprend un deuxième circuit d'injection 32 de carburant et des deuxièmes passages d'admission d'air associés. L'air traversant ces deuxièmes passages est mélangé au carburant apporté par le deuxième circuit 32 pour former le deuxième mélange 30 air/carburant 42. Ce mélange 42 est projeté sous la forme d'un nuage annulaire entourant le mélange 41, comme représenté en pointillés sur la FIG 1. La FIG 2 représente un secteur du fond de chambre 16, vu de l'intérieur de la chambre de combustion 10 (i.e. suivant la flèche II de la FIG 1). Ce secteur est équipé de trois injecteurs 20A à 20C. Les injecteurs 20A- 20C sont représentés schématiquement et seules les ouvertures par lesquelles le carburant sort des injecteurs sont repérées. Ces ouvertures sont appelées "points de carburation". Dans l'exemple, le point de carburation central 51 appartient au circuit pilote 21 et les points de carburation périphériques 52 appartiennent au circuit principal 22. Pour l'allumage de la chambre de combustion 10, le circuit pilote 21 et le circuit principal 22 sont alimentés en carburant. En d'autres termes, du carburant sort des points de carburation 51 et 52. Après avoir été mélangé à l'air traversant les injecteurs 20, le carburant forme des nuages de mélange air/carburant 41, 42 à l'intérieur de la chambre de combustion 10, comme illustré sur la FIG 1. Pour l'allumage, une étincelle 45 est produite par une bougie 15 fixée à la paroi externe 14 de la chambre 10 (voir FIG 1). Cette étincelle 45 allume les mélanges air/carburant 41, 42 de l'injecteur 20 situé au centre sur la FIG 2 et référencé "20B". A ce stade initial de l'allumage, seuls les points de carburation 51 et 52 de l'injecteur 20B sont allumés. En quelques millisecondes, la flamme se propage aux injecteurs 20A, 20C situés de part et d'autre de l'injecteur 20B. Cette propagation est schématisée par les flèches P sur la FIG 2. La flamme se propage ensuite, de proche en proche, aux autres injecteurs 20 de la chambre. Ainsi, quasi-instantanément, l'ensemble des injecteurs 20 sont allumés. La FIG 3 est un graphique illustrant un exemple d'évolution du rapport "Qp/Qt" entre le débit de carburant alimentant le circuit pilote 21 (Qp) et le débit de carburant total alimentant l'injecteur 20 (Qt), par rapport au temps (t). Le débit de carburant total correspond à la somme des débits alimentant 3022 9 86 7 le circuit pilote 21 et le circuit principal 22. Aussi, un rapport Qp/Qt égal à 1 signifie que la totalité du carburant passe par le circuit pilote 21. L'intervalle de temps tO-t1 correspond à la phase d'allumage de l'injecteur 20. Dans cet intervalle, le rapport Qp/Qt est non nul, ce qui 5 signifie que le circuit pilote 21 et le circuit principal 22 sont tous les deux carburés (i.e. alimentés en carburant). Dans l'exemple, ce rapport Qp/Qt est compris entre 0,15 et 0,3. De manière générale, ce rapport est choisi pour que les rapports d'équivalence du circuit pilote 21 et du circuit principal 22 soient identiques. io Le rapport d'équivalence (ou rapport d'équivalents) d'un circuit correspond au rapport entre la richesse effective du circuit et la richesse stoechiométrique. Par exemple, pour le circuit pilote, la richesse effective du circuit pilote correspond au rapport : Wfp/Wap, où Wfp est le débit de carburant dans le circuit pilote et Wap est le débit d'air passant par la vrille 15 d'air du circuit pilote. Ainsi, lorsque le carburant est du kérosène, le rapport d'équivalence du circuit pilote est égal à (Wfp/Wap)/0,068, la richesse stoechiométrique du kérosène étant égale à 0,068. L'instant t1 correspond au moment où l'accélération du rotor de la turbomachine dépasse une valeur seuil comprise entre 2 et 3 tr.s-2. A partir 20 de cet instant tl et jusqu'à l'instant t2, on diminue progressivement le débit de carburant alimentant le circuit principal 22 de sorte que le rapport Qp/Qt augmente progressivement. Ce rapport augmente jusqu'à être égal à 1 à l'instant t2. A partir de t2, il n'y a plus de débit de carburant alimentant le circuit principal 22 et seul le circuit pilote 21 est carburé. La période 25 postérieure à t2 correspondant à un régime de fonctionnement stabilisé ralenti du turboréacteur. Le fait de ne carburer que le circuit pilote 21 permet de réduire les émissions de monoxyde de carbone et d'imbrulés. Les instants t1 et t2 peuvent être séparés de 10 à 20s. 30 REVENDICATIONS1. Procédé d'allumage d'une chambre de combustion de turbomachine, la chambre de combustion (10) comprenant plusieurs injecteurs (20) de carburant répartis au fond de la chambre de combustion, chaque injecteur (20) comprenant un circuit pilote (21) pour l'injection d'un premier mélange air/carburant (41) dans la chambre de combustion (10), ce circuit pilote débouchant dans la chambre de combustion, au centre de l'injecteur (20), et un circuit principal (22) pour l'injection d'un deuxième mélange air/carburant (42) dans la chambre de combustion, ce circuit principal (22) débouchant dans la chambre de combustion, autour circuit pilote (21), le procédé étant caractérisé en ce que le circuit pilote (21) et le circuit principal (22) sont alimentés en carburant pour procéder à l'allumage. 15 2. Procédé d'allumage selon la revendication 1, dans lequel, lors de l'allumage de la chambre de combustion (10), le circuit pilote et le circuit principal (21, 22) sont alimentés en carburant de sorte que les rapports d'équivalence des deux circuits sont sensiblement identiques. 20 3. Procédé d'allumage selon la revendication 2, dans lequel les rapports d'équivalence sont compris entre environ 0,8 et environ 1,5. 4. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 dans lequel, lorsque l'accélération du rotor de la turbomachine dépasse une valeur seuil comprise entre 2 et 3 tr.s-2, on diminue progressivement l'alimentation en carburant du circuit principal (22). 5. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 30 dans lequel, à partir du moment où on diminue l'alimentation en carburantdu circuit principal (22), on diminue cette alimentation de sorte qu'elle devienne nulle au bout de 10 à 20 s.