Brevet FR3080672A1 — publié le 20191101

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion pour moteurs à turbine à gaz, et concerne plus précisément une chambre de combustion annulaire à écoulement giratoire de turbomachine et notamment, mais pas exclusivement, de turbomoteur d'hélicoptère. Une chambre de combustion annulaire est typiquement formée d'une virole interne et d'une virole externe disposée autour de la virole interne en lui étant coaxiale pour délimiter avec celle-ci un foyer annulaire principal de combustion. Des systèmes d'injection d'air et de carburant débouchent dans une zone primaire du foyer de combustion. Les gaz issus de la combustion du mélange air/carburant s'écoulent dans la chambre pour alimenter un distributeur haute-pression de la turbomachine. Un type particulier de chambre de combustion annulaire consiste à introduire dans la zone primaire du foyer de combustion de l'air et du carburant selon une direction tangentielle aux viroles externe et interne de la chambre afin de créer un écoulement giratoire des gaz de combustion par rapport à l'axe longitudinal de symétrie de la chambre. Ce type de chambre de combustion à écoulement giratoire présente de nombreux avantages. En particulier, ce type de chambre de combustion permet d'obtenir une excellente homogénéité du champ de température des gaz de combustion en entrée du distributeur haute-pression, ce qui permet de réduire le nombre d'injecteurs de carburant et de réduire le volume de la chambre de combustion. De plus, la flamme de combustion se propage facilement et rapidement entre les injecteurs de carburant. Enfin, ce type de chambre de combustion permet d'obtenir une fonction de combustion optimisée afin de réduire l'encombrement et le coût de la combustion. Cependant, l'écoulement giratoire au sein de la zone primaire du foyer de combustion de ce type de chambre rend inefficace le recours à des injecteurs privilégiés pour améliorer les limites d'extinction pauvre et rend difficile la constitution de zones riches capables de maintenir une flamme pilote dans le cas où l'on associerait une « combustion pauvre » et une « combustion giratoire » pour réduire les émissions d'oxydes d'azote et de fumée. De plus, lorsque les injecteurs de démarrage sont alimentés 2 seuls, le Ng (régime du générateur de gaz) auquel les injecteurs sont soufflés est relativement bas (de l'ordre de 10%), ce qui peut rendre délicat l'obtention des performances d'allumage pour les conditions les plus sévères (haute altitude et température froide). 5 Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une chambre de combustion qui permet de créer des zones de combustion indépendantes de l'écoulement giratoire. 10 Ce but est atteint grâce à une chambre de combustion annulaire à écoulement giratoire pour moteur à turbine à gaz, comprenant une virole annulaire interne centrée sur un axe longitudinal de chambre, une virole annulaire externe disposée autour de la virole interne en lui étant coaxiale pour délimiter avec celle-ci un foyer annulaire principal de 15 combustion, et une pluralité de systèmes d'injection de carburant espacés tangentiellement autour de l'axe longitudinal de chambre et positionnés de sorte à injecter du carburant dans le foyer principal de combustion selon une même direction tangentielle de giration, et dans laquelle, conformément à l'invention, il est prévu en outre au moins une 20 préchambre de combustion comprenant un foyer de combustion indépendant du foyer principal de combustion qui s'ouvre à l'intérieur de celui-ci selon la direction tangentielle de giration et qui est alimenté en carburant par un injecteur de carburant. Chaque préchambre de combustion permet de créer une zone 25 de combustion du mélange air/carburant qui soit indépendante de l'écoulement giratoire principal dans le foyer principal de combustion. La préchambre de combustion permettant de générer une zone de combustion abritée de l'écoulement principal, il est possible de lui conférer des caractéristiques spécifiques notamment pour que leurs performances 30 d'allumage et d'extinction soient meilleures que celles du foyer principal de combustion. La création d'une ou plusieurs zones de combustion indépendantes de l'écoulement giratoire permet ainsi d'améliorer la stabilité de combustion et potentiellement de réduire les émissions de 35 fumées polluantes. En effet, les préchambres de combustion constituent des zones pour lesquelles la limite d'extinction pauvre est très basse. Elles 3 permettent donc de sécuriser la combustion lors des décélérations rapides du régime moteur, ce qui donne de la latitude pour augmenter le débit d'air traversant les systèmes d'injection afin de réduire les émissions de fumées. 5 La création d'une ou plusieurs zones de combustion indépendantes de l'écoulement giratoire permet également d'améliorer les performances d'allumage. En effet, les préchambres de combustion constituent des zones pour lesquelles les performances d'allumage et de soufflage sont indépendantes de l'écoulement principal giratoire, elles 10 permettent donc d'étendre et de sécuriser les performances d'allumage. La création d'une ou plusieurs zones de combustion indépendantes de l'écoulement giratoire permet encore de réduire les émissions d'oxydes d'azote en adoptant dans le foyer principal une combustion pauvre. En effet, les préchambres de combustion constituent 15 des zones de combustion riches indépendantes du foyer principal pauvre. De plus, les gaz de combustion générés dans cette préchambre de combustion sont injectés dans le foyer principal de combustion selon la direction tangentielle de giration, ce qui permet de limiter les hétérogénéités de température que cette architecture pourrait générer. 20 Les systèmes d'injection de carburant peuvent être disposés radialement sur la virole externe et débouchent à l'intérieur du foyer principal de combustion selon la direction tangentielle de giration. Dans ce cas, la préchambre de combustion est de préférence positionnée tangentiellement entre deux systèmes d'injection de carburant 25 adjacents, l'injecteur de carburant débouchant dans la préchambre de combustion selon la direction tangentielle de giration. De plus, le foyer de combustion de la préchambre de combustion peut être formé par un renfoncement vers l'extérieur de la virole externe et délimité par des parois. Dans ce cas, les parois de la 30 préchambre de combustion comprennent avantageusement des multiperforations pour assurer leur refroidissement et l'une des parois de la préchambre de combustion en contact avec la virole externe est de préférence munie d'une barrière thermique. La préchambre de combustion peut être positionnée sur un fond 35 de chambre s'étendant radialement entre les viroles interne et externe. 4 La préchambre de combustion peut comprendre en outre une bougie d'allumage. Ceci est notamment le cas où le but est d'améliorer les performances d'allumage. L'alimentation en continu de l'injecteur de carburant de la préchambre de combustion permettra de plus de maintenir 5 une flamme pilote et d'abaisser la limite d'extinction pauvre de la chambre de combustion. La préchambre de combustion est avantageusement formée par fabrication additive métallique (ou fusion laser). Dans un exemple de réalisation, la chambre de combustion 10 comprend n systèmes d'injection de carburant disposés radialement sur la virole externe, régulièrement espacés tangentiellement autour de l'axe longitudinal de chambre et qui débouchent à l'intérieur du foyer principal de combustion selon la direction tangentielle de giration, et n, n/2 ou n/3 préchambres de combustion positionnées chacune tangentiellement entre 15 deux systèmes d'injection de carburant adjacents. L'invention a également pour objet un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion tel que défini précédemment. Brève description des dessins 20 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une chambre 25 de combustion à écoulement giratoire selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 2 est une vue en coupe radiale de la chambre de combustion à écoulement giratoire de la figure 1. 30 Description détaillée de l'invention L'invention concerne une chambre de combustion annulaire pour moteur à turbine à gaz, et notamment une chambre de combustion annulaire à écoulement giratoire de turbomoteur d'hélicoptère telle que celle illustrée par les figures 1 et 2. 35 La chambre de combustion 2 illustrée sur ces figures présente plus précisément une symétrie de révolution selon un axe longitudinal X-X 5 de la chambre et est une chambre annulaire du type « à écoulement inversé ». De façon connue, une telle chambre de combustion 2 comprend une virole annulaire interne 4 qui est centrée sur l'axe longitudinal X-X et 5 une virole annulaire externe 6 qui est disposée autour de la virole interne en lui étant coaxiale pour délimiter avec celle-ci un foyer annulaire principal de combustion 8. Au niveau de l'extrémité amont de la chambre de combustion, un fond de chambre 10 s'étend radialement entre lesdites viroles interne et externe 4, 6. Dans sa partie aval, la virole externe 6 10 forme un coude extérieur et sert de déflecteur pour guider les gaz issus du foyer de combustion vers un distributeur haute-pression en sortie de la chambre de combustion. Des systèmes d'injection de carburant 12 débouchent à l'intérieur du foyer de combustion. Dans l'exemple non limitatif illustré par 15 les figures 1 et 2, ces systèmes d'injection de carburant 12 sont positionnés radialement sur la virole externe 6 de la chambre de combustion et sont régulièrement espacés tangentiellement autour de l'axe longitudinal X-X. Bien entendu, il est possible d'envisager que ces systèmes d'injection de carburant soient disposées sur le fond de 20 chambre. Par ailleurs, la chambre de combustion 2 est du type à écoulement giratoire, c'est-à-dire que l'air et le carburant introduits dans le foyer de combustion le sont selon une direction tangentielle aux viroles externe et interne 4, 6 de la chambre afin de créer un écoulement 25 giratoire des gaz de combustion par rapport à l'axe longitudinal X-X de la chambre. A cet effet, les systèmes d'injection de carburant 12 débouchent à l'intérieur du foyer principal de combustion 8 selon une même direction tangentielle de giration F. 30 Plus précisément, les systèmes d'injection de carburant 12 peuvent être du type comme ceux décrits dans la publication FR 3,050,255. Brièvement, ces systèmes d'injection de carburant comprennent chacun une tête d'injection de carburant 12a configurée pour projeter le carburant selon une direction Y-Y qui est inclinée par 35 rapport à un axe radial Z-Z de la virole externe 6. L'inclinaison de cette projection de carburant est 6 identique pour l'ensemble des systèmes d'injection de carburant et permet de délivrer un flux de carburant dans la même direction tangentielle de giration F, ainsi former un écoulement giratoire des gaz de combustion autour de l'axe longitudinal X-X de la chambre de combustion. 5 Les viroles interne et externe 4, 6 de la chambre de combustion peuvent être également munies de trous de multiperforations (non représentés sur les figures) afin d'injecter un film d'air de refroidissement selon la direction tangentielle de giration F dans le foyer principal de combustion. 10 Selon l'invention, il est prévu de positionner au moins une préchambre de combustion 14 comprenant un foyer de combustion 16 qui est indépendant du foyer principal de combustion 8 et qui s'ouvre à l'intérieur de celui-ci selon la direction tangentielle de giration F, ce foyer de combustion 16 étant alimenté en carburant par un injecteur de 15 carburant 18. Par foyer de combustion indépendant du foyer principal de combustion, on entend ici que le foyer de combustion 16 de la préchambre de combustion 14 n'est pas contenu dans le foyer principal de combustion 8 de sorte que la zone de combustion du mélange 20 air/carburant à l'intérieur de ce foyer de combustion est abritée de l'écoulement giratoire des gaz de combustion dans le foyer principal de combustion. On notera que les gaz de combustion en sortie de la préchambre de combustion seront orientés dans le sens de l'écoulement 25 principal (i.e. direction tangentielle de giration F) et le plus tangentiellement possible afin de limiter l'interaction du jet issu de la préchambre de combustion sur l'écoulement dans le foyer principal de combustion et d'étaler son incidence sur le champ de température en sortie de chambre. 30 Par ailleurs, comme représenté sur la figure 2, la préchambre de combustion 14 est de préférence positionnée tangentiellement entre deux systèmes d'injection de carburant 12 adjacents, l'injecteur de carburant 18 débouchant dans la préchambre de combustion selon la direction tangentielle de giration F. 35 Ainsi, sur l'exemple de la figure 2, la chambre de combustion 2 selon l'invention comprend huit systèmes d'injection de carburant 12 qui 7 disposés radialement sur la virole externe 6, régulièrement espacés tangentiellement autour de l'axe longitudinal X-X et qui débouchent à l'intérieur du foyer principal de combustion 8 selon la direction tangentielle de giration F, et quatre préchambres de combustion 14 positionnées 5 chacune tangentiellement entre deux systèmes d'injection de carburant adjacents. Cette configuration correspond à une chambre de combustion à écoulement giratoire à faibles émissions d'oxydes d'azote. Le foyer principal de combustion se compose de huit systèmes d'injection de 10 carburant pauvre assurant typiquement le passage d'un débit d'air représentant entre 50% et 75% du débit d'air total de la chambre, et de quatre préchambres de combustion carburées par des injecteurs de carburant pilote. La flamme pauvre giratoire que les systèmes d'injection de carburant pauvre créent permet de limiter les émissions d'oxydes 15 d'azote et de fumée. Quant aux préchambres de combustion, elles permettent de créer des flammes riches pour assurer les démarrages, les régimes de faible puissance (les huit systèmes d'injection de carburant pauvre étant non carburés pendant cette phase), et la stabilité de la combustion aux régimes de forte puissance lorsque les huit systèmes 20 d'injection de carburant pauvre sont carburés et injectent la majorité du carburant. De manière plus générale, lorsque l'on cherche à obtenir une chambre de combustion à écoulement giratoire à faibles émissions d'oxydes d'azote comprenant n systèmes d'injection de carburant pauvre, 25 le nombre de préchambres de combustion selon l'invention sera égal à n ou ril2 ou n/3. Dans le cas où le but est d'améliorer les performances d'allumage de la chambre de combustion, il conviendra de mettre en place seulement une ou deux préchambres de combustion qui intégreront aussi 30 les bougies d'allumage. L'alimentation en continu des injecteurs de démarrage permettra en outre de maintenir une flamme pilote et d'abaisser la limite d'extinction pauvre de la chambre globale. On notera que l'injecteur de carburant 18 propre à chaque préchambre de combustion 14 peut être du type injecteur mécanique si 35 l'on cherche à améliorer les performances d'allumage de la chambre de combustion, ou du type aérodynamique lorsque l'on cherche l'amélioration 8 de la limite d'extinction pauvre ou la réduction des émissions d'oxydes d'azote et de fumées. Le foyer de combustion 16 de la préchambre de combustion 14 est typiquement formé par un renfoncement vers l'extérieur de la virole 5 externe 6 et délimité par des parois 20 dont certaines comprennent des multiperforations (non représentées sur les figures) pour assurer leur refroidissement. De plus, la paroi de la préchambre de combustion qui est en contact avec la virole externe 6 est munie d'une barrière thermique 22. La préchambre de combustion, et notamment ses parois 20 10 formant le renfoncement, est avantageusement formée par fabrication additive métallique (ou fusion laser par projection de poudre). On notera encore que dans les exemples de réalisation de l'invention représentés par les figures 1 et 2, les systèmes d'injection de carburant 12 et les préchambres de combustion 14 sont positionnés 15 radialement sur la virole externe 6 de la chambre de combustion. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à une telle configuration, les préchambres de combustion pouvant être localisées sur le fond de chambre 10 tout en s'ouvrant à l'intérieur REVENDICATIONS1. Chambre de combustion (2) annulaire à écoulement giratoire pour moteur à turbine à gaz, comprenant une virole annulaire interne (4) centrée sur un axe longitudinal de chambre (X-X), une virole annulaire externe (6) disposée autour de la virole interne en lui étant coaxiale pour délimiter avec celle-ci un foyer annulaire principal de combustion (8), et une pluralité de systèmes d'injection de carburant (12) espacés tangentiellement autour de l'axe longitudinal de chambre et positionnés de sorte à injecter du carburant dans le foyer principal de combustion selon une même direction tangentielle de giration (F), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une préchambre de combustion (14) comprenant un foyer de combustion (16) indépendant du foyer principal de combustion qui s'ouvre à l'intérieur de celui-ci selon la direction tangentielle de giration et qui est alimenté en carburant par un injecteur de carburant (18). 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle les systèmes d'injection de carburant (12) sont disposés radialement sur la virole externe (6) et débouchent à l'intérieur du foyer principal de combustion selon la direction tangentielle de giration (F). 3. Chambre de combustion selon la revendication 2, dans laquelle la préchambre de combustion (14) est positionnée tangentiellement entre deux systèmes d'injection de carburant (12) adjacents, l'injecteur de carburant (18) débouchant dans la préchambre de combustion selon la direction tangentielle de giration. 4. Chambre de combustion selon l'une des revendications 2 et 30 3, dans laquelle le foyer de combustion (16) de la préchambre de combustion (14) est formé par un renfoncement vers l'extérieur de la virole externe et délimité par des parois (20). 5. Chambre de combustion selon la revendication 4, dans 35 laquelle les parois (20) de la préchambre de combustion (14) comprennent des multiperforations pour assurer leur refroidissement. 10 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications 4 et 5, dans laquelle l'une des parois de la préchambre de combustion en contact avec la virole externe est munie d'une barrière thermique (22). 5 7. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle la préchambre de combustion est positionnée sur un fond de chambre (10) s'étendant radialement entre les viroles interne et externe. 10 8. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la préchambre de combustion (14) comprend en outre une bougie d'allumage. 9. Chambre de combustion selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 8, dans laquelle la préchambre de combustion est formée par fabrication additive métallique. 10. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant : 20 n systèmes d'injection de carburant (12) disposés radialement sur la virole externe (6), régulièrement espacés tangentiellement autour de l'axe longitudinal (X-X) de chambre et qui débouchent à l'intérieur du foyer principal de combustion (8) selon la direction tangentielle de giration (F) ; et 25 n, n/2 ou n/3 préchambres de combustion (14) positionnées chacune tangentiellement entre deux systèmes d'injection de carburant (12) adjacents. 11. Moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de 30 combustion (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.