Brevet FR3034844A1 — publié le 20161014

SYSTÈME D'INJECTION DE CARBURANT Domaine de l'Invention La présente invention se rapporte à un système d'injection de carburant, par exemple pour un équipement de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Arrière-plan de l'Invention Des injecteurs de carburant à jet d'air sont couramment utilisés dans des moteurs à turbine à gaz. Ces injecteurs utilisent l'air de refoulement du compresseur pour créer un jet de carburant finement atomisé. Le gicleur de carburant de l'injecteur a typiquement deux ou trois circuits de tourbillonnement d'air : un circuit intérieur, un circuit extérieur et un circuit en dôme. Un passage de carburant annulaire entre les circuits d'air intérieur et extérieur alimente de l'air sur une lèvre de formation préalable de film. Cela forme une feuille de carburant qui se décompose en ligaments, qui sont ensuite fractionnés en gouttelettes dans des couches de cisaillement de l'air fortement tourbillonnant environnant. La Figure 1 montre schématiquement un équipement de combustion classique d'un moteur à turbine à gaz. L'équipement de combustion annulaire 100 comprend des carters à air extérieur 102 et intérieur 104, un tube à flamme 106 et une pluralité d'injecteurs de carburant à jet d'air 108 répartis de manière circonférentielle. Chaque injecteur de carburant a un bras d'alimentation 110 qui s'étend vers l'intérieur à partir d'une bride de montage solidaire 112 fixée à la surface intérieure d'un bossage 114 formé dans le carter extérieur. Le bras d'alimentation se termine dans un gicleur d'injection 116 qui pénètre dans une tête du tube à flamme 106. Le gicleur comporte un/des passage(s) de carburant et des circuits de tourbillonnement d'air. Pour assurer une étanchéité à l'air au point d'entrée du gicleur d'injection 116 dans le tube à flamme 106, le diamètre extérieur du gicleur est en ajustement serré dans une bague d'étanchéité 118, appelée "miniflare". Chaque miniflare est fixée au tube à flamme d'une manière telle qu'elle peut se déplacer tangentiellement et radialement par rapport à la chambre de 3034844 2 combustion, afin d'admettre des tolérances et des croissances thermiques différentielles. Si le bras d'alimentation 110 a été monté à l'extérieur du carter extérieur 102, il serait nécessaire de recevoir le gicleur 116 à travers le carter. Cela 5 nécessiterait un bossage plus grand 114 pour accueillir une ouverture qui pourrait accepter le passage du gicleur, et donc imposerait un excès de poids. Le montage du bras d'alimentation 110 à l'intérieur du carter extérieur 102 aide à éviter l'excès de poids d'un bossage plus grand, mais au prix d'un usinage plus complexe au niveau de l'interface bride de montage-carter. En outre, il 10 empêche le remplacement d'un injecteur de carburant défectueux sans désassemblage important du moteur. Résumé de l'Invention 15 Un but de la présente invention est de fournir un système d'injection de carburant amélioré. Un premier aspect de la présente invention fournit un système d'injection de carburant ayant : un bras d'alimentation en carburant qui, en utilisation, s'étend vers 20 l'intérieur à partir d'un carter extérieur de l'équipement de combustion d'un moteur à turbine à gaz jusqu'à un tube à flamme de l'équipement de combustion, le bras d'alimentation se terminant dans un gicleur d'injection qui pénètre dans une tête du tube à flamme pour distribuer du carburant dans le tube ; 25 un générateur de tourbillonnement qui, en utilisation, est agencé de manière coaxiale avec le gicleur d'injection au niveau de la tête du tube à flamme, le générateur de tourbillonnement ayant un ou plusieurs circuit(s) de tourbillonnement d'air qui produisent des flux respectifs d'air tourbillonnant autour du carburant distribué par le gicleur d'injection ; et 30 une bague d'étanchéité qui scelle le gicleur d'injection au générateur de tourbillonnement, le gicleur d'injection étant inséré de manière détachable dans la bague d'étanchéité pour un engagement étanche avec celle-ci ; où la bague d'étanchéité a une partie de bride, et le générateur de 35 tourbillonnement a une paire de rainures de retenue espacées au niveau d'une face avant de celui-ci, des bords opposés de la partie de bride 3034844 3 étant placés en coulissement dans les rainures de sorte que la partie de bride s'engage de manière étanche avec la face avant ; et où le générateur de tourbillonnement a un mécanisme à ressort qui retient la partie de bride dans les rainures. 5 Comme le gicleur d'injection est inséré de manière détachable dans la bague d'étanchéité, il peut être facilement démonté du tube à flamme, laissant le générateur de tourbillonnement en position au niveau de la tête du tube à flamme, et la bague d'étanchéité retenue par les rainures de retenue. Le diamètre du gicleur d'injection peut ainsi être réduit par rapport à celui de 10 l'injecteur de carburant classique décrit ci-dessus en relation avec la Figure 1. Cela permet au bras d'alimentation d'être monté à l'extérieur du carter extérieur, évitant l'excès de poids d'un grand bossage sur le carter extérieur. Le montage externe à son tour facilite le remplacement des injecteurs défectueux. Un deuxième aspect de la présente invention fournit un équipement de 15 combustion d'un moteur à turbine à gaz, l'équipement ayant : un carter extérieur ; un tube à flamme à l'intérieur du carter extérieur ; et un ou plusieurs système(s) d'injection de carburant selon le premier aspect. 20 Un troisième aspect de la présente invention fournit un moteur à turbine à gaz ayant l'équipement de combustion du deuxième aspect. Des caractéristiques optionnelles de l'invention seront maintenant présentées. Celles-ci sont applicables seules ou en une combinaison quelconque avec un aspect quelconque de l'invention. 25 La partie de bride peut se trouver au niveau de l'extrémité aval de la bague d'étanchéité. Avec un tel agencement, la bague d'étanchéité n'a donc pas besoin de passer à travers le générateur de tourbillonnement. De manière pratique, le gicleur d'injection peut être inséré de manière détachable dans la bague d'étanchéité par une opération d'ajustage correct. 30 Le gicleur d'injection peut avoir une surface extérieure dont le diamètre augmente pour un engagement étanche avec la bague d'étanchéité. Une telle augmentation de diamètre peut améliorer le contact avec la bague d'étanchéité et améliorer ainsi l'engagement étanche. Elle peut également atténuer les effets négatifs causés par un mauvais alignement des axes du gicleur d'injection et de 35 la bague d'étanchéité. La surface extérieure peut être fournie, par exemple, par 3034844 4 un renflement circonférentiel. Un tel renflement peut avoir une surface extérieure pour former une interface sphérique avec la bague d'étanchéité. De manière pratique, les rainures peuvent être essentiellement alignées avec la direction radiale du moteur, de sorte que la bague d'étanchéité puisse 5 être glissée radialement vers l'intérieur pour ajuster la bague d'étanchéité au générateur de tourbillonnement et glissée radialement vers l'extérieur pour retirer la bague d'étanchéité du générateur de tourbillonnement. Le générateur de tourbillonnement peut avoir un alésage à travers lequel passe le gicleur d'injection, la bague d'étanchéité étant alignée avec l'alésage. 10 L'alésage peut permettre un déplacement radial relatif entre le gicleur d'injection et le générateur de tourbillonnement. Par exemple, l'alésage peut être en forme d'hippodrome, avec le grand axe de l'hippodrome aligné radialement. Les rainures peuvent être formées par des rails à rebords respectifs au 15 niveau de la face avant du générateur de tourbillonnement. Le mécanisme à ressort peut comprendre un ressort en porte-à-faux qui est mis en forme de sorte qu'il soit initialement sollicité vers l'extérieur par la bague d'étanchéité à mesure que la partie de bride glisse le long des rainures, et de sorte qu'il revienne par la suite vers l'intérieur pour retenir la partie de 20 bride dans les rainures lorsque la partie de bride glisse davantage le long des rainures. Par exemple, lorsque les rainures sont formées par des rails à rebords respectifs, l'un des rails à rebords peut fournir, de manière pratique, le ressort en porte-à-faux. Les bords opposés de la partie de bride peuvent être formés comme des 25 méplats qui coopèrent avec les rainures pour empêcher la rotation de la bague d'étanchéité. L'extrémité amont de la bague d'étanchéité peut être évasée pour fournir une zone d'entrée pour l'insertion du gicleur d'injection. Le générateur de tourbillonnement peut être formé d'un seul tenant avec 30 la tête du tube à flamme. Le générateur de tourbillonnement peut être formé par fabrication additive, notamment par dépôt au laser direct. Le bras d'alimentation en carburant peut avoir une bride de montage solidaire au niveau de l'extrémité opposée au gicleur d'injection, la bride de 35 montage étant configurée pour être fixée à une surface externe du carter extérieur de l'équipement de combustion. 3034844 5 Brève Description des Dessins Des modes de réalisation de l'invention seront maintenant décrits à titre 5 d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : La Figure 1 montre schématiquement un équipement de combustion classique d'un moteur à turbine à gaz La Figure 2 montre une coupe longitudinale à travers un moteur à turbine à gaz à soufflante canalisée ; 10 La Figure 3 montre schématiquement un équipement de combustion du moteur à turbine à gaz de la Figure 2; La Figure 4 montre des vues plus détaillées d'un gicleur d'injecteur de carburant et d'un générateur de tourbillonnement de l'équipement de combustion de la Figure 3 (a) sur une section tangentielle, et (b) sur une section 15 radiale ; et La Figure 5 montre une vue de la face avant du générateur de tourbillonnement. Description Détaillée et Autres Caractéristiques Optionnelles de 20 l'Invention En se référant à la Figure 2, un moteur à turbine à gaz à soufflante canalisée selon l'invention est globalement indiqué par 10 et a un axe de rotation principal X-X. Le moteur comprend, en série d'écoulement axial, une 25 entrée d'air 11, une soufflante de propulsion 12, un compresseur pression intermédiaire 13, un compresseur haute pression 14, un équipement de combustion 15, une turbine haute pression 16, une turbine pression intermédiaire 17, une turbine basse pression 18 et une tuyère d'éjection de moteur de base 19. Une nacelle 21 entoure globalement le moteur 10 et définit 30 l'entrée 11, un conduit de dérivation 22 et une tuyère d'éjection de dérivation 23. Pendant le fonctionnement, l'air entrant dans l'entrée 11 est accéléré par la soufflante 12 pour produire deux flux d'air : un premier flux d'air A dans le compresseur pression intermédiaire 13 et un deuxième flux d'air B qui passe à 35 travers le conduit de dérivation 22 pour fournir une poussée propulsive. Le compresseur pression intermédiaire 13 comprime le flux d'air A dirigé dans 3034844 6 celui-ci avant de distribuer cet air au compresseur haute pression 14 où une compression supplémentaire a lieu. L'air comprimé évacué du compresseur haute pression 14 est dirigé dans l'équipement de combustion 15 où il est mélangé avec le carburant et le 5 mélange est brûlé. Les produits de combustion chauds résultants se détendent par la suite à travers les turbines haute pression, pression intermédiaire et basse pression 16, 17, 18 et ainsi les entraînent avant d'être évacués à travers la tuyère 19 pour fournir une poussée propulsive supplémentaire. Les turbines haute pression, pression intermédiaire et basse pression entraînent 10 respectivement les compresseurs haute pression et pression intermédiaire 14, 13 et la soufflante 12 par des arbres en interconnexion appropriés. La Figure 3 montre schématiquement l'équipement de combustion 15 du moteur à turbine à gaz 10 de la Figure 2, l'équipement étant équipé d'une pluralité de systèmes d'injection de carburant répartis de manière 15 circonférentielle de la présente invention. L'équipement de combustion annulaire 15 a des carters extérieur 30 et intérieur et un tube à flamme 32. Chaque système d'injection de carburant comporte un injecteur comprenant un bras d'alimentation en carburant 34 et un gicleur d'injection 40 au niveau d'une extrémité intérieure du bras 20 d'alimentation. Le bras d'alimentation 34 s'étend vers l'intérieur à partir d'une bride de montage solidaire 36 fixée à la surface extérieure d'un bossage 38 formé dans le carter extérieur, et le gicleur 40 pénètre dans la tête du tube à flamme. Lors de l'utilisation, le carburant s'écoule à travers le bras d'alimentation pour être distribué dans le tube à flamme par le gicleur. 25 Un générateur de tourbillonnement 42 entoure le gicleur 40 et fournit un ou plusieurs circuit(s) de tourbillonnement d'air coaxiaux. Des flux d'air tourbillonnant provenant de ces circuits atomisent le carburant distribué par le gicleur. De manière pratique, le générateur de tourbillonnement 42 peut être solidaire de la tête du tube à flamme 32. 30 La Figure 4 montre des vues plus détaillées du gicleur 40 et du générateur de tourbillonnement 42 (a) sur une section tangentielle et (b) sur une section radiale, et la Figure 5 montre une vue de la face avant du générateur de tourbillonnement. Le générateur de tourbillonnement 42 a un alésage central 44 à travers 35 lequel le gicleur 40 passe dans la tête du tube à flamme 32. L'alésage est en forme d'hippodrome, avec le grand axe de l'hippodrome aligné radialement, 3034844 7 pour permettre un déplacement radial relatif entre le générateur de tourbillonnement et le gicleur. Une bague d'étanchéité flottante 46 scelle le gicleur au générateur de tourbillonnement 42. La face avant 48 du générateur de tourbillonnement est plate, à 5 l'exception de deux rails à rebords 50 qui sont orientés essentiellement parallèlement à la direction radiale. La bague d'étanchéité 46 a une bride 52 au niveau de son extrémité aval, des bords opposés de la bride sont placés en coulissement dans des rainures respectives formées par les rails à rebords 50. Ainsi, la bague d'étanchéité 46 peut être glissée radialement vers l'intérieur 10 pour ajuster la bague au générateur de tourbillonnement, et glissée radialement vers l'extérieur pour retirer la bague du générateur de tourbillonnement. Les bords de la bride 52 reçus dans les rainures sont formés comme des méplats qui coopèrent avec les rails pour assurer une fonction anti-rotation. Les rails 50 sont profilés pour retenir la bague d'étanchéité 46 et pour s'adapter à des 15 tolérances et à des mouvements thermiques relatifs dans la direction radiale. La face avant plate 48 du générateur de tourbillonnement et la face plate adjacente de la bride 52 de la bague d'étanchéité 46 forment un joint d'étanchéité, qui est forcé à entrer en contact mutuel par la chute de pression à travers le tube à flamme 32 pendant le fonctionnement du moteur. Cela permet 20 d'éviter la nécessité d'un dispositif d'étanchéité séparé. Le rebord de l'un des rails 50 est fendu pour fournir un ressort en porte-à-faux 54 qui retient la bride 52 dans les rainures. Le rayon de fond de la fente est dimensionné pour l'empêcher d'agir comme un site pour l'amorçage des fissures. Le ressort 54 a des chanfreins d'entrée 56 et de sortie 58 pour faciliter 25 l'ajustement et le retrait de la bague d'étanchéité. Plus particulièrement, la bague d'étanchéité 46 est ajustée en plaçant sa bride 52 sous les rails 50. La poussée de la bague d'étanchéité radialement vers l'intérieur entraîne un contact avec le chanfrein d'entrée 56 du ressort. Cette action fait fléchir le ressort (à gauche dans la Figure 5), permettant à la bague d'étanchéité de 30 passer et reposer de manière approximativement centrée sur la face du générateur de tourbillonnement, le ressort revenant à sa forme non fléchie pour retenir la bague d'étanchéité. Le retrait du joint d'étanchéité est l'inverse de cette procédure, avec la bague d'étanchéité poussée radialement vers l'extérieur pour entrer en contact avec le chanfrein de "sortie" 58 du ressort. 35 Le gicleur 40 est engagé de manière étanche avec la bagué d'étanchéité 46 par un ajustage correct du gicleur à travers le centre de la bague. Pour 3034844 8 faciliter cette procédure, l'extrémité amont de la bague d'étanchéité est évasée pour fournir une zone d'entrée pour le gicleur et aider à assurer un alignement du gicleur 40 et du générateur de tourbillonnement 42 pendant l'installation. Le gicleur peut avoir un renflement circonférentiel 60 sur sa surface extérieure pour améliorer le contact avec la bague d'étanchéité et ainsi améliorer l'étanchéité. En particulier, le renflement peut fournir une interface sphérique avec l'alésage 44 de la bague d'étanchéité 46, ce qui atténue les effets indésirables, tels qu'un coincement, qui peut être causé par un mauvais alignement des axes de l'alésage et du gicleur. 10 La fonction de retenue fournie par les rails à rebords 50 n'est nécessaire que pendant l'installation et la désinstallation du moteur ou du module, la bague d'étanchéité 46 étant retenue par le bras d'alimentation 34 et le gicleur 40 après assemblage. Toutefois, avantageusement, comme le gicleur peut être facilement retiré de la bague d'étanchéité en inversant l'opération d'ajustage 15 correct, il peut facilement être démonté du tube à flamme 32, laissant le générateur de tourbillonnement 42 en position au niveau de la tête du tube à flamme, et la bague d'étanchéité retenue par les rails à rebords 50. Le diamètre du gicleur peut donc être réduit par rapport à un gicleur qui a un générateur de tourbillonnement solidaire. Cela facilite à son tour le remplacement des 20 injecteurs défectueux en permettant le montage externe du bras d'alimentation 34 sur le carter extérieur 30. En particulier, le bossage 38 sur le carter extérieur 30 n'a pas besoin d'être surdimensionné afin d'accueillir une grande ouverture, et donc n'impose pas un grand excès de poids. Le générateur de tourbillonnement 42 a une géométrie relativement 25 complexe due à la présence d'aubes dans ses circuits de tourbillonnement d'air. De manière pratique, il peut être formé par fabrication additive, notamment par dépôt au laser direct, par exemple, en étant construit à partir de la face avant 48. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec les modes de 30 réalisation exemplaires décrits ci-dessus, de nombreuses modifications et variations équivalentes seront évidentes pour l'homme du métier à la lecture de cette divulgation. Par conséquent, les modes de réalisation exemplaires de l'invention énoncés ci-dessus sont considérés comme étant illustratifs et non limitatifs. Diverses modifications peuvent être apportées aux modes de 35 réalisation décrits sans sortir de l'esprit et de l'étendue de l'invention. REVENDICATIONS1. Système d'injection de carburant ayant : un bras d'alimentation en carburant (34) qui, en utilisation, s'étend vers l'intérieur à partir d'un carter extérieur (30) de l'équipement de combustion d'un moteur à turbine à gaz jusqu'à un tube à flamme (32) de l'équipement de combustion, le bras d'alimentation en carburant (34) se terminant dans un gicleur d'injection (40) qui pénètre dans une tête du tube à flamme pour distribuer du carburant dans le tube ; un générateur de tourbillonnement (42) qui, en utilisation, est agencé de manière coaxiale avec le gicleur d'injection (40) au niveau de la tête du tube à flamme, le générateur de tourbillonnement (42) ayant un ou plusieurs circuit(s) de tourbillonnement d'air qui produisent des flux respectifs d'air tourbillonnant autour du carburant distribué par le gicleur d'injection (40) ; et une bague d'étanchéité (46) qui scelle le gicleur d'injection (40) au générateur de tourbillonnement (42), le gicleur d'injection (40) étant inséré de manière détachable dans la bague d'étanchéité (42) pour un engagement étanche avec celle-ci ; dans lequel la bague d'étanchéité (46) a une partie de bride (52), et le 20 générateur de tourbillonnement (42) a une paire de rainures de retenue espacées au niveau d'une face avant de celui-ci, des bords opposés de la partie de bride (52) sont placés en coulissement dans les rainures de sorte que la partie de bride (52) s'engage de manière étanche avec la face avant ; et dans lequel le générateur de tourbillonnement (42) a un mécanisme à 25 ressort (54) qui retient la partie de bride (52) dans les rainures. 2. Système d'injection de carburant selon la revendication 1, dans lequel la partie de bride (52) se trouve au niveau de l'extrémité aval de la bague d'étanchéité (46). 3. Système d'injection de carburant selon la revendication 1 ou 2, dans 30 lequel le gicleur d'injection (40) a une surface extérieure (60) dont le diamètre augmente pour un engagement étanche avec la bague d'étanchéité (46). 4. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les rainures sont essentiellement alignées avec la direction radiale du moteur, de sorte que la bague d'étanchéité 35 (46) puisse être glissée radialement vers l'intérieur pour ajuster la bague d'étanchéité (46) au générateur de tourbillonnement (42) et glissée rad ialement 3034844 10 vers l'extérieur pour retirer la bague d'étanchéité (46) du générateur de tourbillonnement (42). 5. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les rainures sont formées par des rails 5 à rebords respectifs (50) au niveau de la face avant du générateur de tourbillonnement (42). 6. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mécanisme à ressort (54) comporte un ressort en porte-à-faux qui est mis en forme de sorte qu'il soit initialement 10 sollicité vers l'extérieur par la bague d'étanchéité (46) à mesure que la partie de bride (52) glisse le long des rainures, et de sorte qu'il revienne par la suite vers l'intérieur pour retenir la partie de bride (52) dans les rainures lorsque la partie de bride (52) glisse davantage le long des rainures. 7. Système d'injection de carburant selon la revendication 6 dépendant 15 de la revendication 5, dans lequel l'un des rails à rebords (50) fournit le ressort en porte-à-faux (54). 8. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les bords opposés de la partie de bride (52) sont formés comme des méplats qui coopèrent avec les rainures pour empêcher la rotation de la bague d'étanchéité (46). 9. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'extrémité amont de la bague d'étanchéité (46) est évasée pour fournir une zone d'entrée pour l'insertion du gicleur d'injection (40). 10. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le générateur de tourbillonnement (42) est formé d'un seul tenant avec la tête du tube à flamme (32). 11. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le générateur de tourbillonnement (42) est formé par fabrication additive. 12. Système d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bras d'alimentation en carburant (34) a une bride de montage solidaire (36) au niveau de l'extrémité opposée au gicleur d'injection (40), la bride de montage (36) étant configurée pour être fixée à une surface externe du carter extérieur (30) de l'équipement de combustion (15). 3034844 11 13. Équipement de combustion d'un moteur à turbine à gaz, l'équipement ayant un carter extérieur (30) ; un tube à flamme (32) à l'intérieur du carter extérieur (30) ; et 5 un ou plusieurs système(s) d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14. Moteur à turbine à gaz ayant l'équipement de combustion de la revendication 13. 10 15 20 25 30 35