Brevet FR3083823A1 — publié le 20200117

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des chambres de combustion de turbomachines d'aéronef, du type à combustion à volume constant. L'invention s'applique à tout type de turbomachines, en particulier aux turboréacteurs, turbopropulseurs, et turbomachines à soufflantes non 10 carénées, aussi connues sous le vocable anglo-saxon de « Open Rotor ». Une turbomachine d'aéronef conventionnelle comporte de manière connue une ou plusieurs chambres de combustion. Une telle chambre de combustion est alimentée en air sous pression par un module de compresseur et il comporte un injecteur de carburant qui est apte à 15 injecter du carburant dans le flux d'air admis pour le brûler et provoquer ainsi l'émission de gaz chauds qui sont utilisés pour entraîner une turbine, qui entraîne à son tour le module de compresseur et qui peut également entraîner une soufflante de la turbomachine. Dans une telle chambre, le débit de carburant est continu et la 20 combustion fonctionne selon un cycle dit de Brayton, c'est-à-dire selon un cycle de combustion à pression constante ou « CPC ». Néanmoins, pour obtenir des gains de consommation spécifiques, il a été envisagé de remplacer la chambre de combustion fonctionnant selon un cycle de Brayton par une pluralité de chambres de combustion fonctionnant selon 25 un cycle de Humphrey, c'est-à-dire selon un cycle de combustion à volume constant ou « CVC ». Le document WO 2016/120551 décrit par exemple un système de combustion à volume constant comportant des chambres de combustion agencées autour d'un axe, chaque chambre comprenant un port 30 d'admission de gaz comprimé et un port d'échappement de gaz brûlés, et une vanne rotative d'admission/d'échappement. Chaque port d'admission/d'échappement est configuré pour être ouvert ou fermé par la vanne rotative d'admission/d'échappement. 2 Afin d'assurer un bon fonctionnement du système de combustion à volume constant, l'injection du carburant doit être précise et maîtrisée. Notamment, l'injection de carburant doit de préférence être coupée durant les phases d'admission et d'échappement. 5 On connait également le document FR 17 55765 (numéro de dépôt) qui décrit un système de combustion à volume constant dans lequel l'injection du carburant dans les chambres de combustion est réalisée par des injecteurs disposés dans chacune des chambres de combustion. Le pilotage de l'injection est ainsi réalisé par un pilotage de chacun des injecteurs situés dans chacune des chambres. Une telle solution «injection de carburant rencontre toutefois plusieurs inconvénients. D'une part, cette solution rencontre un problème de risque de cokéfaction du carburant, du carburant stagnant dans les injecteurs qui sont situés dans les chambres de combustion. D'autre part, cette solution décrite dans le document FR 17 55765 rencontre un problème d'une masse et d'un encombrement important. Objet et résumé de l'invention L'invention a notamment pour but de fournir un système de 20 combustion à volume constant CVC possédant un dispositif d'injection de carburant permettant une injection précise et maîtrisée. De plus, l'invention a pour but de réduire l'encombrement et le poids du dispositif d'injection du carburant. L'invention a également pour but de limiter le risque de cokéfaction 25 du carburant. En outre, l'invention a pour but de fournir un dispositif d'injection du carburant qui possède une structure simple. Selon un premier aspect, l'invention propose un système de à volume constant pour turbomachine comprenant une pluralité de 30 chambres de combustion réparties de manière annulaire autour d'un axe principal, lesdites chambres de combustion comprenant des orifices d'admission et des orifices d'échappement, le système comprenant un 3 sélecteur mobile en rotation autour de l'axe principal qui est configuré pour obturer et ouvrir sélectivement les orifices d'admission et les orifices d'échappement lors de la rotation dudit sélecteur, caractérisé en ce qu'au moins un canal d'injection de carburant est formé dans ledit sélecteur 5 pour injecter sélectivement le carburant dans les chambres de combustion lors de la rotation dudit sélecteur. Ainsi, grâce audit au moins un canal d'injection formé dans le sélecteur, ledit sélecteur remplit la fonction d'injection de carburant dans les chambres de combustion en plus de la fonction d'ouverture et 10 d'obturation des orifices d'admission et d'échappement des chambres de combustion, augmentant ainsi la compacité du système de combustion à volume constant. De plus, l'injection de carburant étant réalisée par le au moins un canal d'injection formé dans le sélecteur, le carburant ne stagne pas à 15 l'intérieur de la chambre de combustion, réduisant ainsi le risque de cokéfaction par rapport à un injecteur de carburant situé dans chaque chambre de combustion. Le système de combustion à volume constant peut également comprendre l'une quelconque des caractéristiques suivantes, prise seule ou en combinaison suivant les possibilités techniques : le sélecteur comprend une virole externe sur laquelle est formée au moins une lumière d'admission et au moins une lumière d'échappement qui sont configurées pour respectivement coopérer avec les orifices d'admission et les orifices d'échappement lors de la rotation du sélecteur, une pluralité de buses d'injection de carburant étant située sur la virole externe pour injecter du carburant dans les chambres de combustion via les orifices d'admission et/ou les orifices d'échappement, ladite pluralité de buse d'injection de carburant étant connectée audit au moins un canal d'injection de carburant ; la pluralité de buses d'injection de carburant est décalée angulairement par rapport à ladite au moins une lumière d'admission et à ladite au moins une lumière d'échappement ; 4 le sélecteur est monté mobile en rotation autour d'un distributeur de carburant fixe, ledit distributeur de carburant comprenant des orifices de distribution répartis sur le contour dudit distributeur de carburant qui communiquent avec une cavité centrale et qui sont 5 configurés pour coopérer avec ledit au moins un canal d'injection de carburant du sélecteur pour permettre le circulation du carburant depuis le distributeur de carburant vers le canal d'injection du carburant ; - un roulement est disposé entre le distributeur de carburant et le sélecteur, de part et d'autre des orifices de distribution, un joint étant 10 situé entre chaque roulement et les orifices de distribution ; - un joint est disposé entre le distributeur de carburant et le sélecteur, de part et d'autre des orifices de distribution, un roulement étant situé entre chaque joint et les orifices de distribution ; les orifices de distribution sont formés par des perçages 15 radiaux de forme oblongue dirigée perpendiculairement à l'axe principal ; - le système comprend une source de carburant sous pression qui est connectée à la cavité centrale du distributeur de carburant. Selon un deuxième aspect, l'invention propose une turbomachine comprenant un système selon l'une quelconque des caractéristiques 20 précédentes. En outre, selon une caractéristique possible, la turbomachine a une poussée maximale inférieure ou égale à 700daN. Selon un troisième aspect, l'invention propose un aéronef comprenant une turbomachine selon l'une quelconque des caractéristiques 25 précédentes. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 30 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 5 la figure 1 représente un système de combustion à volume constant pour une turbomachine selon un mode de réalisation possible ; - la figure 2 représente une section du système illustré sur la figure 1 lors d'une phase de combustion ; 5 - la figure 3 représente une section du système illustré sur la figure 1 lors d'une phase d'échappement ; la figure 4 représente une section du système illustré sur la figure 1 selon un plan passant par les orifices d'admission des chambres de combustion ; 10 - la figure 5 représente une section du système illustré sur la figure 1 selon un plan médian ; - la figure 6 représente une section du système illustré sur la figure 1 selon un plan passant par les orifices d'échappement des chambres de combustion ; 15 - la figure 7 représente une vue isolée du sélecteur du système illustré sur la figure 1 ; la figure 8 représente une vue isolée des chambres de combustion du système illustré sur la figure 1 ; - la figure 9 représente une vue schématique de la coopération 20 entre les canaux d'injection de carburant du distributeur d'une part avec les orifices des chambres de combustion et d'autre part avec les orifices de distribution du distributeur du carburant, lors de la rotation dudit distributeur. 25 Description détaillée de modes de réalisation Comme illustré sur la figure 1, un système 1 de combustion à volume constant pour turbomachine comprend une pluralité de chambres de combustion 2 qui sont réparties de manière annulaire autour d'un axe principal A, qui correspond avec l'axe de la turbomachine. Les chambres 30 de combustion 2 sont fixes et forment ainsi un stator du système 1 de combustion à volume constant. 6 Le système 1 de combustion à volume constant est situé dans la turbomachine entre un compresseur et une turbine. Comme visible sur la figure 8, chaque chambre de combustion 2 comprend un orifice d'admission 21 et un orifice d'échappement 22 qui 5 sont situés sur le contour annulaire interne desdites chambres de combustion 2. Chaque chambre de combustion 2 du système 1 suit un cycle de différentes phases lors du fonctionnement de la turbomachine. Le cycle comprend une phase d'admission durant laquelle de l'air provenant du 10 compresseur rentre dans la chambre de combustion, puis une phase de combustion durant laquelle l'air est brûlé avec du carburant, puis enfin une phase d'échappement durant laquelle l'air brûlé s'échappe de la chambre de combustion en direction de la turbine. Le système 1 de combustion à volume constant comprend 15 également un sélecteur 3 qui permet de contrôler l'admission d'air venant du compresseur et l'échappement de l'air à la suite de la combustion vers la turbine pour les chambres de combustion 2. Le sélecteur 3 est formé par une roue mobile en rotation autour de l'axe principale 6, de sorte à former le rotor du système 1. Le sélecteur 3 20 est configuré pour ouvrir et obturer sélectivement les orifices d'admission 21 et les orifices d'échappement 22 des chambres de combustion 2 lors de la rotation dudit sélecteur 3. Par ouverture et obturation sélective des orifices d'admission 21 et des orifices d'échappement 22, on comprend ici que les orifices d'admission 21 et les orifices d'échappement 22 sont 25 ouverts et obturés les uns à la suite des autres durant la rotation du sélecteur 3. Comme visible sur la figure 7, le sélecteur 3 comprend au moins une lumière d'admission 31 et au moins une lumière d'échappement 32 formée sur une virole externe 33. Dans l'exemple de réalisation le 30 sélecteur 3 comprend une pluralité de lumières d'admission 31 et une pluralité de lumières d'échappement 32. Les lumières d'admission 31 sont configurées pour coopérer avec les orifices d'admission 21 de sorte que d'une part les orifices d'admission 7 21 sont ouverts lorsqu'ils sont situés en regard d'une lumière d'admission 31 lors de la phase d'admission, et d'autre part les orifices d'admission 21 sont obturés par la virole externe 33 du sélecteur 3 lorsque lesdits orifices d'admission 31 sont décalés angulairement par rapport aux lumières 5 d'admission 31 et ainsi ne sont pas situés en regard d'une lumière d'admission 31 lors des autres phases. Ainsi, lorsque durant sa rotation le sélecteur 3 place une lumière d'admission 31 en regard de l'orifice d'admission 21 d'une chambre de combustion 2, la phase d'admission de ladite chambre de combustion 2 10 commence et de l'air provenant du compresseur rentre dans ladite chambre de combustion 2 via la lumière d'admission 31 et l'orifice d'admission 21. Les lumières d'échappement 32 sont configurées pour coopérer avec les orifices d'échappement 22 de sorte que d'une part les orifices 15 d'échappement 22 sont ouverts lorsqu'ils sont situés en regard d'une lumière d'échappement 32 lors de la phase d'échappement, et d'autre part les orifices d'échappement 22 sont obturés par la virole externe 33 du sélecteur 3 lorsque lesdits orifices d'échappement 22 sont décalés angulairement par rapport aux lumières d'échappement 32 et ainsi ne sont 20 pas situés en regard d'une lumière d'échappement 32 lors des autres phases. Ainsi, lorsque durant sa rotation le sélecteur 3 place une lumière d'échappement 32 en regard de l'orifice d'échappement 22 d'une chambre de combustion 2, la phase d'échappement de ladite chambre de 25 combustion 2 commence et l'air brûlé s'échappe de ladite chambre de combustion 2 via l'orifice d'échappement 22 et la lumière d'échappement 32 en direction de la turbine. Comme visible sur la figure 7, les lumières d'admission 31 et les lumières d'échappement 32 sont décalées axialement selon l'axe principal 30 0, de sorte à ce que les lumières d'admission 31 et les lumières d'échappement 32 possèdent des trajectoires circulaires avec la rotation du sélecteur 3 décalées axialement. 8 En outre, comme illustré sur la figure 7, la disposition des lumières d'admission 31 et des lumières d'échappement 32 sur la virole externe 33 peut comprendre un chevauchement angulaire. C'est-à-dire qu'une même chambre de combustion 2 peut comprendre son orifice d'admission 21 en 5 regard d'une lumière d'admission 31 et en même temps comprendre son orifice d'échappement 22 en regard d'une lumière d'échappement 32. La phase d'admission et la phase d'échappement peuvent ainsi se chevaucher. Par exemple le fait qu'une nouvelle phase d'admission commence avant la fin de la phase d'échappement permet d'améliorer 10 l'échappement des gaz de combustion vers la turbine, ces gaz de combustion étant chassés par l'admission de l'air provenant du compresseur. Comme visible sur la figure 2, pour l'injection du carburant à l'intérieur des chambres de combustion 2 lors de la phase de combustion, 15 le sélecteur 3 comprend au moins un canal d'injection de carburant 34 qui est configuré pour injecter sélectivement le carburant dans lesdites chambres de combustion 2 lors de la rotation dudit sélecteur 3. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, le sélecteur 3 comprend une pluralité de canaux d'injection de carburant 34. 20 Par injection sélective de carburant, on comprend ici que du carburant est injecté dans les chambres de combustion 2 les unes à la suite des autres au fil de la rotation du sélecteur 3 via les canaux d'injection de carburant 34. Le sélecteur 3 comprend également des buses d'injection de 25 carburant 35 qui sont situées sur la virole externe 33 dudit sélecteur 3, lesdites buses d'injection de carburant 35 étant connectées aux canaux d'injection de carburant 34. Les buses d'injection de carburant 35 sont formées par des perçages de la virole externe 33. Les buses d'injection de carburant 35 sont configurées pour 30 coopérer avec les orifices d'admission 21 et/ou les orifices d'échappement 22 et injecter le carburant dans les chambres de combustion 2 au travers desdits orifices d'admission 21 et/ou les orifices d'échappement 22. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, les buses d'injection de carburant 35 sont configurées pour coopérer avec les orifices d'admission 9 21 et les orifices d'échappement 22. Les buses d'injection de carburant 35 sont ainsi situées sur la virole externe 33 de sorte à être axialement alignées avec les orifices d'admission 21 et les orifices d'échappement 22, permettant ainsi aux buses d'injection de carburant 35 d'être en face des 5 orifices d'admission 21 et des orifices d'échappement 22 lors de la phase de combustion. Le fait que les buses d'injection 35 soient réparties sur la virole externe 33 de sorte que lesdites buses d'injections 35 sont situées en face des orifices d'admission 21 et en face des orifices d'échappement 22 10 permet d'assurer une injection du carburant à la fois via l'orifice d'admission 21 et l'orifice d'échappement 22 de chaque chambre de combustion 2, permettant ainsi d'améliorer l'homogénéité de l'injection du carburant dans ladite chambre de combustion. Par ailleurs, afin d'améliorer encore plus l'homogénéité de l'injection du carburant, le même 15 nombre de buses d'injection 35 injectent du carburant à travers l'orifice d'admission 21 qu'à travers l'orifice d'échappement 22. De plus, les buses d'injection de carburant 35 sont décalées angulairement des lumières d'admission 31 et des lumières d'échappement 32, de sorte à ne pas injecter de carburant dans les 20 chambres de combustion 2 lorsque les lumières d'admission 31 et les lumières d'échappement 32 sont respectivement alignées avec les orifices d'admission 21 et les orifices d'échappement 22. Dit autrement, les buses d'injection de carburant 35 ne peuvent pas être en regard d'un orifice d'admission 21, ou d'un orifice d'échappement 22, lorsque ledit orifice 25 d'admission 21, ou ledit orifice d'échappement 22, est situé en regard d'une lumière d'admission 31, ou d'une lumière d'échappement 32. Ainsi, le carburant est injecté uniquement durant la phase de combustion, et pas durant les phases d'admission et d'échappement. Comme visible sur les figures 2 et 3, le système 1 comprend 30 également un distributeur de carburant 4 autour duquel le sélecteur 3 est entrainé en rotation, ledit distributeur de carburant 4 étant fixe de sorte à former une portion du stator dudit système 1. Le distributeur de carburant 4 permet d'alimenter en carburant les canaux d'injection du carburant 34 du sélecteur 3. 10 Le distributeur de carburant 4 comprend une cavité centrale 41 et des orifices de distribution 42 répartis sur le contour du distributeur de carburant 4 et qui communiquent avec la cavité centrale 41. Les orifices de distribution 42 sont configurés pour coopérer avec les canaux 5 d'injection de carburant 34 afin de permettre la circulation de carburant depuis la cavité centrale 41 du distributeur vers les canaux d'injection de carburant 34. Les orifices de distribution 42 sont ainsi situés en regard des orifices d'admission 21 et des orifices d'échappement 22 des chambres de combustion 2, de sorte que lorsque les canaux d'injection 34 arrivent en 10 regard des orifices d'admission 21 et des orifices d'échappement 22 lors de la rotation du sélecteur 3, les canaux d'injection de carburant 34 arrivent également en regard des orifices de distribution 42, et ainsi lesdits canaux d'injection de carburant 34 relient le distributeur de carburant 4 aux chambres de combustion 2. 15 La coopération entre les orifices de distribution 42 du distributeur de carburant 4 et les canaux d'injection de carburant 34 est illustrée sur les figures 2 et 3. Sur la figure 2, les deux chambres de combustion 2 situées sur le plan de section sont dans leur phase de combustion, et ainsi un canal d'injection de carburant 34 relie chacune de ces deux chambres 20 de combustion 2 à un orifice de distribution 42. Sur la figure 3, les deux chambres de combustion 2 sont dans leur phase d'échappement, et ainsi les deux chambres de combustion 2 ne sont pas reliées par un canal d'injection de carburant 34 à un orifice de distribution 42. La figure 9 illustre schématique la coopération des canaux 25 d'injection 34 et d'une part les orifices d'admission 21 des chambres de combustion 2, et d'autre part les orifices de distribution 42 du distributeur 4. Comme visible sur la figure 9, les orifices de distribution 42 sont situés en regard des orifices d'admission 21 (et également des orifices de d'échappement 22). Les arcs de cercle identifiés par le symbole « O » 30 correspondent à des portions de trajectoire sur lesquelles les canaux d'injection de carburant 34 injectent du carburant dans les chambres de combustion 2, tandis que les arcs de cercle identifiés par le symbole « X » correspondent à des portions de trajectoire sur lesquelles les canaux d'injection de carburant 34 n'injectent pas de carburant dans les chambres de combustion 2. 11 La figure 9 étant réalisée suivant un plan de coupe passant par les orifices d'admission 21 des chambres de combustion, la coopération entre les canaux d'injection de carburant 34 et les orifices d'échappement 22 n'est pas visible. La coopération entre les canaux d'injection de carburant 5 34 et les orifices d'échappement 22 est toutefois similaire à la coopération entre lesdits canaux d'injection de carburant 34 et les orifices d'admission 21. Les orifices de distribution 42 sont avantageusement formés par des perçages radiaux qui possèdent une forme oblongue, ladite forme 10 oblongue étant perpendiculaire à l'axe principale O. Autrement dit, l'ovale formé par les perçages oblongs qui forment les orifices de distribution 42 est dirigé perpendiculairement à l'axe principal 0. Une telle forme oblongue permet d'assurer une coopération plus longue entre les canaux d'injection de carburant 34 et les orifices de distribution 42. 15 Une source de carburant sous pression est connectée à la cavité centrale 41 du distributeur de carburant 4. La source de carburant peut par exemple être formée par un réservoir de carburant et une pompe d'injection. Par ailleurs, le système 1 comprend deux roulements 5, par 20 exemple des roulements à billes ou des roulements à rouleaux, qui sont situés entre le sélecteur 3 et le distributeur de carburant 4 afin de former la liaison pivot. De plus, les roulements 5 sont situés de part et d'autre des orifices de distribution 42. En outre, le système 1 comprend des joints 6, au moins un joint 6 étant situé entre chaque roulement 5 et les orifices de 25 distribution 42. Les joints 6 permettent ainsi de limiter les fuites de carburant vers les roulements 5. Par ailleurs, selon une autre variante possible qui est avantageuse lorsque la lubrification est réalisée par le carburant, les roulements 5 sont chacun situés entre un joint 6 et les orifices de distribution 42. Les joints 6 30 permettent d'empêcher le carburant d'aller au-delà des roulements 5. Le système 1 de combustion à volume constant est particulièrement avantageux pour une petite propulsion, c'est-à-dire une turbomachine avec une poussée maximale inférieure ou égale à 700daN, par exemple 12 égale à 500daN. Le système 1 est en effet compact, le sélecteur 3 remplissant la double fonction d'ouverture et fermeture des orifices d'admission 21 et d'échappement 22 des chambres de combustion 2, et d'injection REVENDICATIONS1. Système (1) de combustion à volume constant pour turbomachine comprenant une pluralité de chambres de combustion (2) réparties de manière annulaire autour d'un axe principal (6), lesdites chambres de combustion (2) comprenant des orifices d'admission (21) et des orifices d'échappement (22), le système (1) comprenant un sélecteur (3) mobile en rotation autour de l'axe principal (0) qui est configure pour obturer et ouvrir sélectivement les orifices d'admission (21) et les orifices d'échappement (22) lors de la rotation dudit sélecteur (3), caractérisé en ce qu'au moins un canal d'injection de carburant (34) est formé dans ledit sélecteur (3) pour injecter sélectivement le carburant dans les chambres de combustion (2) lors de la rotation dudit sélecteur (3). 2. Système (1) selon la revendication 1, dans lequel le sélecteur (3) comprend une virole externe (33) sur laquelle est formée au moins une lumière d'admission (31) et au moins une lumière d'échappement (32) qui sont configurées pour respectivement coopérer avec les orifices d'admission (21) et les orifices d'échappement (22) lors de la rotation du sélecteur (3), une pluralité de buses d'injection de carburant (35) étant située sur la virole externe (33) pour injecter du carburant dans les chambres de combustion (2) via les orifices d'admission (21) et/ou les orifices d'échappement (22), ladite pluralité de buse d'injection de carburant (35) étant connectée audit au moins un canal d'injection de carburant (34). 3. Système (1) selon la revendication 2, dans lequel la pluralité de buses d'injection de carburant (35) est décalée angulairement par rapport à ladite au moins une lumière d'admission (31) et à ladite au moins une 30 lumière d'échappement (32). 14 4. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le sélecteur (3) est monté mobile en rotation autour d'un distributeur de carburant (4) fixe, ledit distributeur de carburant (4) comprenant des orifices de distribution (42) répartis sur le contour dudit 5 distributeur de carburant (4) qui communiquent avec une cavité centrale (41) et qui sont configurés pour coopérer avec ledit au moins un canal d'injection de carburant (34) du sélecteur (3) pour permettre la circulation du carburant depuis le distributeur de carburant (4) vers le canal d'injection du carburant (34). 10 5. Système (1) selon la revendication 4, dans lequel un roulement (5) est disposé entre le distributeur de carburant (4) et le sélecteur (3), de part et d'autre des orifices de distribution (42), un joint (6) étant situé entre chaque roulement (5) et les orifices de distribution (42). 6. Système (1) selon la revendication 4, dans lequel un joint (6) est disposé entre le distributeur de carburant (4) et le sélecteur (3), de part et d'autre des orifices de distribution (42), un roulement (5) étant situé entre chaque joint (6) et les orifices de distribution (42). 7. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel les orifices de distribution (42) sont formés par des perçages radiaux de forme oblongue dirigée perpendiculairement à l'axe principal (e). 8. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel ledit système (1) comprend une source de carburant sous pression qui est connectée à la cavité centrale (41) du distributeur de carburant (4). 15 20 25 15 9. Turbomachine comprenant un système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Turbomachine selon la revendication 9, dans laquelle ladite 5 turbomachine a une poussée maximale inférieure ou égale à 700daN. 11. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 9 ou la revendication 10.