Brevet FR3071550A1 — publié le 20190329

CHAMBRE ANNULAIRE DE COMBUSTION DOMAINE [1] La présente invention concerne une chambre annulaire de combustion ainsi qu'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. CONTEXTE [2] Une turbomachine comprend d'amont en aval des étages de compression basse et haute pression alimentant une chambre annulaire de combustion dont les gaz de combustion entraînent en sortie une turbine haute-pression et une turbine basse-pression. [3] Classiquement, comme représenté en figure 1, une chambre annulaire de combustion 10 comprend deux viroles ou parois annulaires interne 12 et externe 14, s'étendant coaxialement autour d'un axe 16, reliées l'une à l'autre à leurs extrémités amont par une paroi annulaire 18 dite de fond de chambre comportant des ouvertures de passage de tête d'injecteurs 20. [4] L'extrémité aval de chacune des viroles annulaires interne 12 et externe 14 est reliée à une paroi annulaire de liaison 22, 24 à un carter interne 26 ou externe 28. On observe également qu'une bougie d'allumage 30 du carburant traverse le carter externe 28 et la paroi annulaire externe 14 de la chambre 10. Pour allumer la chambre de combustion, la bougie 30 effectue des claquages successifs formant des arcs électriques enflammant le carburant pulvérisé entre les viroles interne 12 et externe 14 de la chambre de combustion. [005] Toutefois, en haute altitude, les conditions de rallumage d'une chambre de combustion 10 sont critiques. En effet, la faible pression de l'air ambiant, la faible température de l'air et du carburant injecté et la forte vitesse d'écoulement de l'air dans la chambre éteinte du fait de l'autorotation 2 du moteur constitue des conditions difficiles pour effectuer un rallumage d'une chambre de combustion qui s'est éteinte. [6] Les procédures actuelles de rallumage d'une chambre de combustion consistent essentiellement à effectuer une descente de l'avion jusqu'à une 5 altitude où la pression ambiante est acceptable pour effectuer un rallumage en vol. Bien évidemment, ce type de procédure n'est pas tout à fait satisfaisant puisqu'il convient d'attendre un certain délai avant de disposer de nouveau du moteur éteint. [7] En outre, le dimensionnement de la chambre de combustion doit être 10 réalisé de manière à autoriser un rallumage, ce qui impose d'avoir une zone primaire suffisamment importante conduisant à une augmentation de la masse embarquée, et également une augmentation des émissions de particules (ou suies) et d'oxyde d'azote. Egalement pour effectuer un rallumage en vol, une modification des injecteurs à proximité d'une bougie 15 d'allumage est réalisée pour obtenir un mélange carburant air enrichi en carburant, ce qui complique la fabrication des injecteurs et de la chambre de combustion. RESUME DE L'INVENTION [8] La présente invention concerne tout d'abord une chambre annulaire 20 de combustion pour turbomachine comportant une paroi annulaire externe traversée par une bougie d'allumage du carburant et des moyens d'injection de carburant agencées à l'extrémité amont de la paroi annulaire externe, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'alimentation de la chambre avec un gaz inflammable. 25 [009] L'invention propose ainsi d'ajouter des moyens d'alimentation de la chambre en gaz inflammable qui peut par exemple être du dihydrogène, ce qui permet de : 3 Réduire le volume de la zone primaire de la chambre de combustion, conduisant à une diminution des émissions de particules (connues également sous le nom de suies) et d'oxyde d'azote ; Supprimer l'enrichissement en carburant des injecteurs à proximité 5 d'une bougie d'allumage, ce qui permet de simplifier la structure des injecteurs, la fabrication et également le montage de la chambre puisqu'un seul type d'injecteur est nécessaire. réduire la masse de la chambre de combustion et des éléments dont la dimension dépend directement ou indirectement de la dimension 10 de la chambre tels que par exemple les carters interne et externe. Augmenter le plafond ou altitude maximale de rallumage en vol d'un moteur d'avion, autorisant ainsi une augmentation du plafond de croisière de l'avion conduisant à une baisse de consommation en carburant de l'avion. 15 [010] De préférence, une sortie des moyens d'alimentation débouche à proximité ou au voisinage immédiat d'une électrode d'allumage de la bougie. [11] Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens d'alimentation comprennent un conduit d'amenée du gaz inflammable dont une extrémité débouche à l'intérieur de la paroi annulaire externe au 20 voisinage de la bougie d'allumage. [12] Préférentiellement, le conduit d'amenée peut s'étendre au travers du corps de la bougie et débouche sur une face portant au moins une électrode d'allumage du carburant. [13] Selon une autre caractéristique, le conduit peut comprendre une 25 première partie et une seconde partie reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un raccord de connexion démontable des première et seconde parties, la seconde partie étant solidaire du corps de la bougie. Cet agencement autorise un montage et un démontage de la bougie sans impacter de manière indépendante au reste des moyens d'amenée de gaz. [014] L'invention concerne également une turbomachine à double flux primaire et secondaire comprenant une chambre annulaire de combustion 4 du type décrit ci-dessus, dans laquelle les moyens d'alimentation en gaz inflammable comprennent un réservoir hermétique de stockage de gaz agencé dans un espace annulaire inter-veines séparant une veine annulaire d'écoulement d'un flux d'air primaire d'une veine annulaire d'écoulement d'un 5 flux d'air secondaire. De préférence, le réservoir de stockage est positionné de manière à être le plus éloigné possible de la veine primaire. Il peut être positionné radialement à l'extérieur des compresseurs et à proximité de la veine secondaire. [015] Le montage du réservoir de gaz dans une zone froide 10 comparativement aux zones compresseurs, chambre de combustion et turbines, permet de garantir un débit de gaz indépendant de l'état thermique du moteur. En effet, la pression et la température dans le réservoir sera sensiblement constante quel que soit la phase de vol. Ainsi, le débit de gaz régulé sera sensiblement constant. De cette manière, il n'est pas nécessaire 15 d'avoir de spécifications particulières concernant le conduit d'amenée de gaz. [16] Afin d'éviter une explosion de la bombonne en cas de d'incendie, le réservoir peut comprendre encore une vanne de surpression dont une sortie communique fluidiquement avec la veine annulaire d'écoulement du flux d'air 20 secondaire. [17] La turbomachine peut également comprendre une électrovanne d'ouverture/fermeture des moyens d'alimentation en gaz inflammable dont l'ouverture est pilotée par un calculateur de la turbomachine, ce calculateur pouvant être le calculateur FADEC pour Full Authority Digital Engine Control. 25 [018] L'électrovanne peut être agencée dans le corps de la bougie, au voisinage de l'extrémité du conduit d'amenée. [019] L'invention concerne encore un procédé d'utilisation de la chambre de combustion ou de la turbomachine mentionnées précédemment, dans lequel il comprend les étapes suivantes : 30 a) Injection de carburant dans la chambre de combustion ; b) Injection de gaz inflammable dans la chambre de combustion ; et 5 c) Allumage de la bougie, les étapes a) à c) étant réalisées simultanément lorsque la pression à l'intérieur de la chambre est inférieure à 0,5 bar. [20] En outre, l'injection de gaz inflammable peut être maintenue tant que 5 la pression à l'intérieur de la chambre est inférieure à 0,7 bar, afin de s'assurer que la combustion du carburant est stable. [21] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. 10 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1, déjà décrite précédemment, est une vue schématique en coupe d'une chambre de combustion selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe des moyens d'alimentation en gaz inflammable selon l'invention ; 15 - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une turbomachine selon l'invention montrant un exemple d'intégration des moyens d'alimentation en gaz inflammable. DESCRIPTION DETAILLEE [22] On se réfère maintenant à la figure 2 qui représente des moyens 20 d'alimentation 32 en gaz inflammable destinés à être monté dans une chambre de combustion selon la figure 1 notamment. Comme représenté sur cette figure, les moyens d'alimentation 32 en gaz sont couplés à la bougie d'allumage en ce qu'ils comprennent un conduit 34 d'alimentation en gaz inflammable formé pour partie à l'intérieur du corps 36 de la bougie 25 d'allumage 30. [23] Tout gaz inflammable apte être injecté dans une chambre de combustion à haute altitude, typiquement au-delà de 30000 pieds peut convenir. A titre d'exemple, le dihydrogène est un gaz qui pourrait convenir. 6 [24] Les moyens d'alimentation en gaz inflammable comprennent ainsi un conduit 34 formé en deux parties, une première partie 34a s'étendant depuis un réservoir 38 de gaz jusqu'à un raccord 40 étanche apte à être fermé lorsqu'il est déconnecté d'une seconde partie du conduit 34b qui s'étend 5 dans le corps 36 de la bougie 30. Ce raccord 40 permet de connecter et de déconnecter la première partie 34a du conduit 34 à la seconde partie 34b du conduit 34 lorsque cela s'avère nécessaire, par exemple lors d'une opération de maintenance de la bougie 30. [25] La seconde partie 34b du conduit 34 comprend une première 10 extrémité 42 reliée au raccord 40 et une seconde extrémité 44 opposée débouchant au niveau d'une face de la bougie 30 portant une pluralité d'électrodes 46a, 46b d'allumage du carburant, ici deux électrodes, dont une première 46a est centrale et une seconde annulaire 46b entoure la première, ladite face de la bougie 30 affleurant une face interne de la paroi annulaire 15 externe 14 de la chambre de combustion. De cette manière, l'injection de gaz peut être réalisée au plus près des arcs électriques générés par le claquage de la bougie 30. [26] La figure 3 représente un montage particulier des moyens d'injection de gaz dans une turbomachine 48 comprenant d'amont en aval, une 20 soufflante 50, un compresseur basse pression 52, un compresseur haute pression 54, une chambre de combustion 56, une turbine 58. Une nacelle 60 entoure extérieurement la roue de soufflante 50. Dans un montage particulier, la première partie 34a du conduit 34 est reliée au réservoir 38 de gaz inflammable qui est logé dans un espace 62 inter-veines, c'est-à-dire un 25 espace séparant une veine annulaire d'écoulement du flux d'air primaire (flèches A) d'une veine annulaire d'écoulement d'un flux d'air secondaire (flèches B, figure 3). Le réservoir 38 peut comprendre une vanne de surpression (non représentée) dont une sortie communique avec l'écoulement du flux d'air secondaire afin que toute fuite du gaz s'avère sans 30 conséquence ou encore qu'un incendie dans l'enceinte ne le fasse pas 7 exploser. Pour cela, une sortie d'air pourra être aménagée dans une paroi annulaire externe de l'espace inter-veines. [027] La turbomachine 48 comprend également une électrovanne 64 agencée au voisinage de la seconde extrémité 54 de la seconde partie 34b 5 du conduit 34, cette électrovanne 64 étant commandée en ouverture et fermeture par le calculateur 66 FADEC de la turbomachine. Ainsi, le calculateur 66 principal de la turbomachine pourra envoyer une consigne d'ouverture de l'électrovanne 64 en cas d'extinction de la chambre de combustion. 10 [028] Le dispositif d'injection de gaz inflammable peut être utilisé de la manière suivante : - Injection de carburant dans la chambre de combustion 56 ; - Injection de gaz inflammable dans la chambre de combustion 56 ; et - Allumage de la bougie 30 ; 15 les étapes précédentes étant réalisées simultanément lorsque la pression à l'intérieur de la chambre 56est inférieure à 0,5 bar. [029] De préférence, l'injection de gaz inflammable est maintenue tant que la pression à l'intérieur de la chambre est inférieure à 0,7 bar, afin de s'assurer que la flamme dans la chambre de combustion 56 est stable. 20 [030] Dans une réalisation de l'invention, le réservoir 38 est une bouteille qui peut avoir une contenance de 500 ml d'un gaz inflammable pressurisé à une pression de 2 bars. Le débit de gaz peut être contrôlé par un col de faible diamètre afin que le débit d'air soit sonique, par exemple d'environ 70 mg/s. Ce col sonique pourrait être obtenu en réalisant une tuyère de Laval mais 25 non nécessairement. Un col sonique est réalisable par une réduction locale de la section de passage, avec un Mach égal à 1 au niveau de la section minimum. Une tuyère de Laval est un cas particulier de col sonique, qui est optimisé pour, en plus, réduire les pertes de détentes des gaz. On comprend que la pression dans la bouteille n'a pas besoin d'être très importante 30 puisqu'elle elle destinée à être utilisée à très haute altitude et lorsque la chambre de combustion 56 est éteinte. Une telle bouteille 38 de gaz 8 inflammable pourrait être à usage unique et remplacé à chaque utilisation. Rappelons qu'une extinction moteur est un évènement rare rendant ainsi un changement de la bouteille 38 peu contraignant, dès lors qu'un REVENDICATIONS1. Chambre (56) annulaire de combustion pour turbomachine d'axe (16) comportant une paroi annulaire externe (14) traversée par une bougie d'allumage (30) du carburant et des moyens (20) d'injection de carburant agencées à l'extrémité amont de la paroi annulaire externe (14), caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens (32) d'alimentation de la chambre (56) avec un gaz inflammable. 2. Chambre selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens (32) d'alimentation comprennent un conduit (34) d'amenée du gaz inflammable dont une extrémité débouche à l'intérieur de la paroi annulaire externe (14) au voisinage d'au moins une électrode (46a, 46b) d'allumage de la bougie d'allumage (30). 3. Chambre selon la revendication 2, dans laquelle le conduit (34) d'amenée s'étend au travers du corps (36) de la bougie (30) et débouche à l'extrémité radialement interne de la bougie (30) portant l'électrode (46) d'allumage du carburant. 4. Chambre selon la revendication 3, dans laquelle le conduit (34) comprend une première partie (34a) et une seconde partie (34b) reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un raccord (40) de connexion démontable des 20 première (34a) et seconde (34b) parties, la seconde partie (34b) étant solidaire du corps (36) de la bougie (30). 5. Turbomachine à double flux primaire et secondaire comprenant une chambre (56) annulaire de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'alimentation (32) en gaz 25 inflammable comprennent un réservoir (38) hermétique de stockage de gaz agencé dans un espace annulaire (62) inter-veines séparant une veine annulaire d'écoulement d'un flux d'air primaire (A) d'une veine annulaire d'écoulement d'un flux d'air secondaire (B). 6. Turbomachine selon la revendication 5, dans laquelle le 30 réservoir (38) comprend une vanne de surpression dont une sortie 10 communique fluidiquement avec la veine annulaire (B) d'écoulement du flux d'air secondaire. 7. Turbomachine selon la revendication 5 ou 6, comprenant une électrovanne (64) d'ouverture/fermeture des moyens d'alimentation en gaz 5 inflammable dont l'ouverture est pilotée par un calculateur (66) de la turbomachine. 8. Turbomachine selon l'une des revendications 5 à 7 lorsqu'elle dépend de la revendication 2, dans laquelle l'électrovanne (64) est agencée dans le corps (36) de la bougie (30), au voisinage de l'extrémité du conduit 10 d'amenée (34). 9. Procédé d'utilisation de la chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 4 ou de la turbomachine selon la revendication 5 à 8, dans lequel il comprend les étapes suivantes : a) Injection de carburant dans la chambre de combustion (56) ; 15 b) Injection de gaz inflammable dans la chambre de combustion (56) ; et c) Allumage de la bougie (30) ; les étapes a) à c) étant réalisées simultanément lorsque la pression à l'intérieur de la chambre (56) est inférieure à 0,5 bar. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'injection de gaz inflammable est maintenue tant que la pression à l'intérieur de la chambre est inférieure à 0,7 bar.