Brevet FR3017416A1 — 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 dans ces chambres 5 de combustion. 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 d'air et de carburant aux différents régimes de fonctionnement des chambres de combustion, afin de réduire leur émission de polluants tels que 15 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 20 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. 25 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, 30 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 pilote et principal en fonction de lois d'opérabilité de la 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 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. 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. 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 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 30 turbomachine, adapté pour injecter du carburant dans une chambre de 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 qu'il comprend en outre un conducteur thermique confiné entre la canalisation pilote et la canalisation principale et configuré pour diriger le flux thermique de la canalisation principale vers la canalisation pilote. Certaines caractéristiques préférées mais non limitative du système carburant décrit ci-dessus sont les suivantes : - le conducteur thermique est logé dans une enveloppe, ladite enveloppe étant placée autour de la canalisation pilote et de la canalisation principale, - l'enveloppe est formée dans un matériau isolant pouvant présenter 15 une épaisseur comprise entre environ 10 mm et environ 40 mm, par exemple de l'ordre de 30 mm, - le conducteur thermique comprend un fluide caloporteur, - le fluide caloporteur est de l'air, - le conducteur thermique comprend une matière thermiquement zo conductrice à l'état solide, - la matière thermiquement conductrice présente une conductivité thermique supérieure à celle de l'air, - la matière thermiquement conductrice comprend du caoutchouc, et - le conducteur thermique s'étend sur tout ou partie de la longueur de 25 la canalisation principale en amont de la chambre de combustion. L'invention propose également une turbomachine comprenant un système carburant comme décrit ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 30 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 est une vue partielle d'une forme de réalisation d'un conducteur thermique à l'état solide confiné entre une canalisation principale et une canalisation pilote, La figure 2 est une vue partielle d'une autre forme de réalisation d'un conducteur thermique logé dans une enveloppe isolante et confiné entre une canalisation principale et une canalisation pilote, l'enveloppe isolante ayant été partiellement coupée afin de visualiser le passage des flux thermiques, La figure 3 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 25 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 30 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 ajuste la répartition de débit entre chaque circuit d'alimentation en fonction de lois d'opérabilité de la turbomachine. Afin de limiter, voire empêcher la cokéfaction du carburant susceptible de stagner dans les canalisations des injecteurs principaux 22, l'invention propose de transférer une partie de l'énergie thermique de la canalisation d'injection principale vers la canalisation pilote, en utilisant la canalisation pilote 14 comme source froide. A cet effet, l'invention propose de confiner un conducteur thermique 30 entre la canalisation pilote 14 et la canalisation principale 24, le conducteur thermique 30 étant configuré pour diriger le flux thermique de la canalisation principale 24 vers la canalisation pilote 14. Par confiner, on comprendra que le conducteur thermique 30 est logé entre les deux canalisations sans pouvoir aisément s'échapper. En conséquence, la chaleur de la canalisation principale 24 est dirigée par conduction thermique à l'aide du conducteur thermique 30 vers la canalisation pilote 14, dont la température est moins élevée. La chaleur de la canalisation principale 24 ne se dissipe donc pas simplement dans l'air ambiant. Le conducteur thermique 30 peut s'étendre sur tout ou partie des canalisations principale 24 et pilote 14 entre l'unité de dosage 4 et la chambre de combustion 5. Par exemple, le conducteur thermique 30 peut s'étendre sur la longueur des canalisations 14, 24 soumise à des températures sévères susceptibles d'échauffer le carburant stagnant dans la canalisation principale 24, ou en variante sur une partie seulement de cette longueur, ou selon une autre variante de manière discontinue sur cette longueur. Selon une première forme de réalisation, le conducteur thermique 30 comprend un fluide caloporteur confiné dans une enveloppe 32 placée autour de la canalisation pilote 14 et de la canalisation principale 24. L'enveloppe 32 peut être fermée, de manière à emprisonner le fluide caloporteur formant le conducteur thermique 30. En variante, dans le cas d'un fluide caloporteur comprenant de l'air, l'enveloppe 32 peut être ouverte au niveau des faces à travers entrent et sortent la canalisation pilote 14 et la canalisation principale 24. Par exemple, l'enveloppe 32 peut comprendre un manchon enfilé sur les canalisations pilote et principale. Afin d'améliorer le transfert thermique de la canalisation principale 14 vers la canalisation pilote 24, l'enveloppe 32 peut être réalisée dans un matériau isolant. Typiquement, le matériau isolant peut comprendre du MIN-K®. On comprendra bien entendu que l'épaisseur de l'enveloppe 32 dépend de son matériau constitutif ainsi que de la conduction thermique nécessaire 15 pour limiter suffisamment l'augmentation de température dans la canalisation principale 24. Par exemple, l'enveloppe 32 peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 40 mm, typiquement une trentaine de millimètres. 20 Selon une deuxième forme de réalisation, le conducteur thermique 30 peut comprendre un matériau à l'état solide thermiquement conducteur (par opposition à un fluide). Dans cette forme de réalisation, c'est donc grâce à la matière thermiquement conductrice que la chaleur peut passer de la canalisation principale 24 à la canalisation pilote 14. 25 De préférence, la conductivité thermique du matériau thermiquement conducteur est supérieure à celle de l'air. Par ailleurs, le matériau thermiquement conducteur du conducteur thermique présente une température de fusion supérieure à la température pouvant être atteinte par l'air environnant aux canalisations 14, 24 afin que le conducteur thermique 30 ne fonde pas en utilisation. Par exemple, le conducteur thermique 30 peut comprendre du caoutchouc. L'épaisseur du conducteur thermique 30 entre la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 dépend de son matériau constitutif ainsi que de la conduction thermique nécessaire pour limiter suffisamment l'augmentation de température dans la canalisation principale 24. Typiquement, l'épaisseur du conducteur thermique peut être comprise entre 4 mm et 10 mm. Dans le cas d'un conducteur thermique 30 comprenant du caoutchouc, le conducteur thermique 30 peut former une lame de caoutchouc ayant une épaisseur de l'ordre de 8 mm. Dans cette forme de réalisation, le conducteur thermique 30 solide Io est alors logé entre la canalisation pilote 14 et la canalisation principale 24. Afin d'assurer le transfert du flux thermique de la canalisation principale 24 vers la canalisation pilote 14, le conducteur thermique 30 est de préférence en contact avec lesdites canalisations. En comparaison avec la première forme de réalisation, la distance 15 entre les deux canalisations peut être réduite, ce qui permet d'améliorer le transfert du flux thermique entre la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14. En effet, en utilisant un fluide caloporteur tel que de l'air comme conducteur thermique 30, une distance suffisante entre la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 doit de préférence être zo maintenue pour éviter qu'elles ne se heurtent lorsqu'elles sont soumises à de fortes vibrations, ce qui pourrait les endommager. A contrario, la mise en oeuvre d'un conducteur thermique 30 à l'état solide permet d'empêcher ces éventuels chocs. L'amortissement de ces chocs est d'ailleurs particulièrement efficace lorsque le conducteur thermique 30 est 25 élastiquement déformable, ce qui est le cas du caoutchouc. De manière optionnelle, afin de ralentir l'échauffement des canalisations 14, 24, le conducteur thermique 30 à l'état solide peut être logé dans une enveloppe isolante 32 similaire en forme, en composition et en fonction à l'enveloppe isolante 32 de la première forme de réalisation. 30 L'enveloppe isolante 32 peut être ajustée au conducteur thermique 30 de manière à ne renfermer que la matière thermiquement conductrice. En variante, un espace entre le conducteur thermique 30 à l'état solide et l'enveloppe isolante 32 peut être ménagé afin de confiner également de l'air dans l'enveloppe isolante 32. De plus, le conducteur thermique 30 peut être choisi de manière à présenter une conductivité thermique supérieure à celle de l'air, auquel cas l'ajout d'une telle enveloppe formée dans un matériau isolant 32 peut ne pas être nécessaire afin d'empêcher l'élévation de la température du carburant stagnant dans la canalisation principale 24. C'est notamment le cas du caoutchouc qui conduit 10 fois mieux la chaleur que l'air. Ainsi, lorsqu'à la fois les canalisations principale 24 et pilote 14 sont débitantes, par exemple lorsque la turbomachine est en mode croisière, la température du carburant dans la canalisation principale 24, dans la canalisation pilote 14, dans le conducteur thermique 30 et le cas échéant dans l'enveloppe isolante 32 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, de la canalisation pilote 14 et du conducteur thermique 30 sont les suivants : Flux convectif szikv de l'air extérieur vers l'envelo e isolante 32 : I II 0Cv (Textérieure Tisolant)x S extérieure où a est le coefficient d'échange de l'air extérieur, Textérieur est la température de l'air en dehors de l'enveloppe isolante 32, T; ,solant est la température de l'enveloppe isolante 32 et Sextérieur est la surface d'échange entre l'enveloppe isolante 32 et l'air extérieur. Flux conductif 0. de la canalisation -ilote 14 vers l'envelo e isolante 32 : I II "pilote - Tisolant contact pilote e isolant où est conductivité thermique du matériau constitutif de l'enveloppe isolante 32, Tpilote est la température de la canalisation pilote 14, Scontact pilote est la surface de contact entre la canalisation pilote 14 et l'enveloppe isolante 32 et eisotant est l'épaisseur de l'enveloppe isolante 32. Flux conductif de la canalisation -rinci-ale 24 vers l'envelo e isolante 32 : II pn.ncipale - Tisolant)x S contact principale e isolant où Tpfincipale est la température de la canalisation principale 24 et Scontact principale est la surface de contact entre la canalisation principale 24 et l'enveloppe isolante 32. La somme des flux conductifs Op du flux convectif Oct, et du flux conductif à l'intérieur de l'isolant donne le flux total de chaleur vers l'enveloppe isolante 32. Flux conductif ob cond de la canalisation -rinci-ale 24 vers la canalisation pilote 14 à travers le conducteur thermique 30 : Ocond Ibcond (Tprincipale T pilote)X S cond econd où Àcond est la conductivité thermique associée au conducteur thermique 30 (fluide caloporteur ou conducteur thermique 30 à l'état solide), Scond est la surface de contact avec la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14, et econd est l'épaisseur du conducteur thermique 30. Flux conductif 0; de l'envelo e isolante 32 vers la canalisation -ilote 14 II Tpîlote - i T soi, ant)X contact pilote - p e isolant La somme des flux conductifs ob cond et 0; p donne le flux total de chaleur reçu par la canalisation pilote 14. Flux conductif 0; de l'envelo 24 e isolante 32 vers la canalisation rifla ale I - (Tprincipale Tisolant)x S contact pilote e isolant La somme des flux conductifs cond et 0; m donne le flux total de chaleur reçu par la canalisation principale 24. En prenant en compte les chaleurs massiques des différents éléments ainsi que les flux transitant, la température du carburant stagnant dans la canalisation principale 24 augmente donc beaucoup moins vite lorsque le système carburant comprend un conducteur thermique 30 confiné entre la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 que lorsqu'il en est dépourvu. En effet, une partie importante du flux thermique pénétrant dans l'ensemble formé par le conducteur thermique 30, la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 est transféré par conduction vers la canalisation pilote 14 à travers le conducteur thermique 30 et le cas échéant l'enveloppe 32, puisque c'est la canalisation pilote 14 qui constitue le point le plus froid de l'ensemble. En comparaison, sans conducteur thermique 30 ou lorsque la canalisation principale 24 est isolée thermiquement du reste du système carburant 1 (par exemple à l'aide d'un manchon isolant enfilé sur la canalisation principale 24 uniquement), la totalité du flux thermique traversant le manchon isolant est dirigé vers la canalisation principale 24 et échauffe bien plus par conséquent le carburant qui y stagne. Dans ce qui suit, des exemples de système carburant 1 comprenant un conducteur thermique 30 confiné entre une canalisation principale 24 et une canalisation pilote 14 et logé dans une enveloppe isolante 32 en MIN- Ke d'épaisseur 30 mm vont être décrits. Dans ces exemples, l'environnement du système carburant 1 est sensiblement stabilisé avec une température extérieure de l'ordre de 193°C et une température du carburant débitant dans la canalisation pilote 14 de l'ordre de 145°C. Par ailleurs, le coefficient d'échange de l'air extérieur a est de l'ordre de 23 W/m2/K et la conductivité thermique du matériau constitutif de l'enveloppe isolante 32 de l'ordre de 0,05 W/m.K. Dans un premier exemple, le conducteur thermique 30 comprend de l'air enfermé dans l'enveloppe isolante. Le flux thermique convectif Oc, de l'air extérieur vers la surface externe de l'enveloppe isolante 32 est alors de l'ordre de 9 W. La répartition du flux thermique dans la canalisation pilote 14 et dans la canalisation principale 24 est alors d'environ 8,99 W dans la canalisation pilote 14 pour 0,01 W dans la canalisation principale 24, et ceci bien que les deux canalisations 14, 24 soient symétriques. Dans un deuxième exemple, le conducteur thermique 30 comprend une lame de caoutchouc d'épaisseur 8 mm enfermée dans l'enveloppe isolante. Dans cet exemple, l'enveloppe isolante 32 est ajustée sur la lame de caoutchouc 30, sans présence d'air. Le flux thermique convectif Oc, de l'air extérieur vers la surface externe de l'enveloppe isolante 32 est alors de l'ordre de 11 W. La répartition du flux thermique dans la canalisation pilote 14 et dans la canalisation principale 24 est alors d'environ 11.8 W dans la canalisation pilote 14 pour 0,02 W dans la canalisation principale 24. Ainsi, quel que soit le mode de réalisation, une partie importante du flux thermique qui aurait dû se diriger vers la canalisation principale 24 et donc la réchauffer est en fait transférée vers la canalisation pilote 14 grâce à l'air 30 confiné entre les deux canalisations 14, 24 dans l'enveloppe isolante 32, l'air 30 et l'enveloppe isolante 32 permettant la conduction de la chaleur de la canalisation principale 24 vers la canalisation pilote 14. Ainsi, le carburant susceptible de stagner dans la canalisation principale 24 reste inférieur à 150°C bien que l'air extérieur soit à 193°C, et ce même au bout de trente minutes. Le conducteur thermique 30 et le cas échéant l'enveloppe isolante 32 permettent donc de ralentir de manière très significative la vitesse d'échauffement du carburant susceptible de stagner dans la canalisation principale 24 et par conséquent d'éviter son échauffement au-delà d'une température déterminée favorisant la formation de coke. A titre de comparaison, sans conducteur thermique 30 et en protégeant simplement thermiquement la canalisation principale 24 du reste du système carburant 1 avec un manchon présentant les mêmes propriétés que l'enveloppe isolante 32, avec les mêmes conditions de température extérieure et de température initiale du carburant dans la canalisation principale 24, la température du carburant stagnant dans la canalisation principale 24 s'élève à environ 165°C au bout de trente minutes. La mise en oeuvre d'un conducteur thermique 30 confiné entre la canalisation principale 24 et la canalisation pilote 14 présente l'avantage de ne pas rajouter 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 pour refroidir le débit stagnant dans les canalisations principales, sans ajouter d'équipement supplémentaire (type échangeur de chaleur). L'isolant utilisé (MIN-K®) est par ailleurs léger et peu encombrant ce qui rend son application simplifiée. 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 qu'il comprend en outre un conducteur thermique (30) confiné entre la canalisation pilote (14) et la canalisation principale (24) et configuré pour diriger le flux thermique de la 15 canalisation principale (24) vers la canalisation pilote (14). 2. Système carburant (1) selon la revendication 1, dans lequel le conducteur thermique est logé dans une enveloppe (32), ladite enveloppe étant placée autour de la canalisation pilote (14) et de la canalisation 20 principale (24). 3. Système carburant (1) selon la revendication 2, dans lequel l'enveloppe (32) est formée dans un matériau isolant pouvant présenter une épaisseur comprise entre environ 10 mm et environ 40 mm, par exemple de 25 l'ordre de 30 mm. 4. Système carburant (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le conducteur thermique (30) comprend un fluide caloporteur. 30 5. Système carburant (1) selon la revendication 4, dans lequel le fluide caloporteur est de l'air. 6. Système carburant (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le conducteur thermique (30) comprend une matière thermiquement conductrice à l'état solide. 7. Système carburant (1) selon la revendication 6, dans lequel la matière thermiquement conductrice présente une conductivité thermique supérieure à celle de l'air. 8. Système carburant (1) selon l'une des revendications 6 ou 7, dans 10 lequel la matière thermiquement conductrice comprend du caoutchouc. 9. Système carburant (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le conducteur thermique (30) s'étend sur tout ou partie de la longueur de la canalisation principale (24) en amont de la chambre de combustion 15 (5). 10. Turbomachine comprenant une chambre de combustion et un système carburant (1) selon l'une des revendications 1 à 9. 20