Brevet FR3087876A1 — publié le 20200501

ENSEMBLE POUR CHAMBRE DE COMBUSTION DOMAINE [1] La présente invention concerne les chambres de combustion pour turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'aéronef. CONTEXTE [2] Un enjeu majeur du développement des turbomachines est de réduire la consommation en carburant, principalement pour des raisons économiques mais également écologiques. La réduction de la consommation en carburant ne devant pas impacter l'opérabilité de la turbomachine, c'est-à-dire les différents fonctionnements souhaités de la turbomachine, des techniques telle que la combustion sectorisée ont été développées. [3] La combustion sectorisée (sector burning en anglais) a été utilisée sur certaines turbomachines d'aéronefs et sur des turbines terrestres. Cette technique s'appuie sur l'utilisation de deux rampes de carburant alimentant chacune une partie des injecteurs, en combinaison avec une vanne d'ouverture/fermeture du débit de carburant dans la seconde rampe d'alimentation des injecteurs associés. Une telle technique permet de réduire les émissions de monoxyde de carbone (CO) lors du fonctionnement de la turbomachine au ralenti et de limiter les risques d'extinction de la chambre de combustion en interdisant l'alimentation des injecteurs reliés à la seconde rampe. [4] Toutefois, ce type de combustion sectorisée présente des inconvénients. En effet, lorsque l'alimentation est interrompue dans la deuxième rampe par le biais de la vanne, les injecteurs reliés à cette rampe qui ne débitent pas de carburant peuvent être sujet à la formation de coke dans certaines conditions de fonctionnement de la chambre de 2 combustion. Une telle cokéfaction peut conduire à l'obstruction de ces injecteurs, impactant l'opérabilité de la turbomachine. [5] En outre, l'alimentation des injecteurs ne permet pas d'optimiser les performances de la turbomachine lors de ces différents régimes de 5 fonctionnement. [6] L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux inconvénients de la technique actuelle exposée ci-dessus. RESUME DE L'INVENTION 10 [007] A cette fin, il est proposé un ensemble de chambre de combustion annulaire d'axe longitudinal pour turbomachine comprenant une paroi annulaire de fond de chambre traversée par une pluralité d'injecteurs de carburant régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal et reliés à des moyens d'amenée de carburant, caractérisé en ce qu'il comprend 15 des moyens de commande de moyens individuels de pilotage du débit de carburant de chaque injecteur. [8] Un tel ensemble, présentant des moyens individualisés dédiés au réglage du débit de chaque injecteur, permet de modifier la richesse du mélange air-carburant de chaque secteur de la chambre de combustion 20 auquel est associé un ou plusieurs injecteurs, c'est-à-dire la proportion d'air par rapport à la proportion de carburant, et ainsi d'optimiser les performances de la chambre de combustion. Par ailleurs, cet ensemble permet de réduire les risques d'extinction, de non allumage et d'instabilité de la combustion, tout en réduisant les émissions de fumées et de gaz 25 polluants (par exemple CO, CH, NOx). [9] Selon les performances recherchées, cet ensemble permet de piloter la richesse de fonctionnement des secteurs de la chambre de combustion, indépendamment de la richesse globale de la chambre de combustion. Ainsi, cet ensemble permet un fonctionnement de la 3 chambre de combustion en richesse globale pauvre lors de régimes proches du plein gaz afin de limiter les émissions de fumées et de NOx. Egalement, l'ensemble assure des richesses locales suffisamment élevées dans les secteur d'injection de carburant d'un injecteur lors des 5 régimes intermédiaires et des régimes proches du ralenti pour limiter les émissions de CO et CH tout en préservant la chambre d'une extinction non souhaitée. [10] Selon une caractéristique supplémentaire, les moyens d'amenée peuvent comprendre une unique rampe annulaire d'alimentation en 10 carburant reliée à chacun des moyens de pilotage du débit de carburant d'un injecteur. [11] L'ensemble ne nécessite qu'une rampe d'alimentation, contrairement aux chambres de combustion de l'art antérieur où la sectorisation est effectuée en associant à chaque secteur une rampe d'alimentation. Dans 15 l'ensemble ici proposé, les moyens de pilotage individuel permettent, avec une unique rampe, de gérer le contrôle de la richesse dans chaque secteur de combustion. [12] En outre, ledit moyen de pilotage du débit peut être une électrovanne. [13] Par ailleurs, lesdits moyens de commande peuvent être intégrés à un 20 calculateur d'une turbomachine, comme par exemple un système FADEC (en anglais, Full Authority Digital Engine Control). [14] Une telle intégration permet ainsi un contrôle dynamique de l'allumage des injecteurs ainsi que leur débit de carburant selon des cycles prédéfinis en réponse à une consigne relative au régime de 25 fonctionnement du moteur (ralenti, plein gaz, croisière, décélération) et des conditions extérieures (températures, pression, vitesse et débit). [15] Un procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion est également proposé pour un ensemble tel que décrit précédemment ainsi que deux viroles annulaires coaxiales interne et externe reliées à leurs extrémités amont à la paroi annulaire de fond de chambre. Le procédé comprend les étapes suivantes : 4 a) Déterminer le régime du moteur ; b) Piloter l'alimentation d'une partie des injecteurs par le biais des moyens individuels de pilotage du débit. [16] Par régime moteur, on entend la vitesse de rotation de l'arbre du 5 compresseur haute pression. Le régime moteur peut, par exemple, être mesuré au moyen d'une roue phonique. [17] Un tel procédé, permet de piloter individuellement le débit de carburant injecté par chacun des injecteurs, permettant ainsi d'adapter, au régime du moteur, de manière plus fine que dans l'art antérieur, la 10 richesse du mélange air-carburant par secteur d'injection de carburant, les secteurs étant également modulables en faisant évoluer les motifs des injecteurs débitant du carburant. [18] Par ailleurs, l'étape b) peut être effectuée en maintenant constant le débit total du carburant acheminé vers tous les moyens individuels de 15 pilotage du débit. [19] Ainsi, le procédé permet de faire varier la richesse locale des secteurs tout en maintenant la richesse globale de la chambre de combustion adaptée au régime du moteur. [20] Egalement, pour une chambre de combustion comprenant en outre 20 au moins une bougie d'allumage, l'étape a) peut être précédée des étapes : Commander les moyens individuels de pilotage du débit de sorte que seul un premier injecteur, agencé circonférentiellement à proximité de la bougie d'allumage 25 de la chambre de combustion, est alimenté en carburant ; Commander les moyens de pilotage du débit de sorte qu'au moins un second injecteur circonférentiellement adjacent audit premier injecteur est alimenté ; Commander les moyens individuels de pilotage du débit de 30 sorte que les injecteurs restants sont alimentés en 5 carburant successivement en direction circonférentielle à partir dudit au moins un second injecteur. [21] Cela permet d'optimiser la combustion, en maintenant une marge par rapport aux risques d'extinction, mais également de limiter les instabilités 5 de combustion en modifiant la réponse de flamme au perturbations acoustiques ou en supprimant la périodicité circonférentielle de la température et de la pression de la chambre. [22] Selon des caractéristiques supplémentaires, l'étape b) peut varier selon une période dt. 10 [023] 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. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 15 la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un ensemble selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un ensemble pour chambre de combustion ; - les figures 3A, 3B, 3C et 3D sont des schémas d'exemples de motifs 20 d'injection en mode statique ; - la figure 4 est un schéma d'un exemple de motif d'injections variable périodiquement, en mode dynamique. DESCRIPTION DETAILLEE [024] La figure 1 illustre un ensemble 1 comprenant une chambre annulaire 25 de combustion 2 pour turbomachine, telle par exemple qu'un turboréacteur ou turbopropulseur d'avion. La chambre annulaire de combustion 2 comprend deux viroles ou parois annulaires interne 4 et externe 6, sensiblement tronconiques, dont la section augmente vers 6 l'aval, et coaxiales d'axe longitudinal s'étendant vers l'aval et étant reliées à leurs extrémités amont à une paroi annulaire de fond de chambre 8. Un carénage ou capotage 10 annulaire fixé sur le fond de chambre 8 s'étend vers l'amont et comportant des orifices de passage 12 de têtes 5 d'injecteurs 14. [25] Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine. Les termes axial et radial sont définis par rapport à l'axe A de la turbomachine. [26] Le carénage 10 guide le flux d'air sortant du compresseur haute 10 pression amont de la turbomachine et le partage en un écoulement d'air central qui alimente la chambre de combustion 2 et en deux veines annulaires périphériques qui contournent la chambre de combustion 2. [27] L'air issu du compresseur est amené dans la chambre de combustion 2, au travers notamment de vrilles 16, et mélangé à du carburant issu des 15 injecteurs 14. La combustion du mélange air-carburant est initiée par au moins une bougie d'allumage 18 montée sur un carter externe 20, traversant la virole annulaire externe 6 et débouchant entre les viroles annulaire interne 4 et externe 6 dans l'espace annulaire d'injection de carburant. 20 [028] Comme visible sur la figure 2, chaque injecteur 14 de l'ensemble traverse la paroi annulaire de fond de chambre 8, et les injecteurs 14 sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal A de la chambre de combustion 2. Les injecteurs 14 sont reliés à des moyens d'amenée de carburant qui comprennent une unique rampe annulaire d'alimentation 22 25 en carburant, d'axe longitudinal A, et disposée radialement à l'extérieur du carter externe 20. Les moyens d'amenée comprennent également des conduits individuels d'alimentation 24 de chaque injecteur 14, reliant la rampe annulaire d'alimentation 22 à chacun des injecteurs 14. La figure 2 représente également les platines ou brides de fixation 26 de chaque 30 injecteur 14 sur la face radialement externe du carter externe 20. 7 [29] En particulier, entre chaque conduit individuel 24 et la rampe annulaire d'alimentation 22, sont disposés des moyens individuels de pilotage du débit 28, permettant notamment de piloter le débit de carburant issu de la rampe d'alimentation 22, convoyé par le biais du conduit individuel 24 5 vers l'injecteur 14. [30] Les moyens individuels de pilotage de débit 28, sont ainsi des moyens de pilotage dédiés pour chaque injecteur 14, individualisés, de sorte que le débit de carburant convoyé vers chaque injecteur 14 puisse être contrôlé indépendamment les uns des autres. 10 [031] Les moyens individuels de pilotage de débit 28 peuvent être par exemple des électrovannes. Les électrovannes peuvent être de type tout ou rien, c'est-à-dire pouvant prendre deux positions : ouverte ou fermée. Pour un contrôle plus précis du débit, les électrovannes peuvent être de type proportionnelles, dont l'ouverture est proportionnelle au courant 15 électrique d'alimentation. [32] Ainsi, chacun des moyens individuels de pilotage du débit 28 de carburant convoyé vers les injecteurs 14 est relié à la rampe annulaire d'alimentation 22 en carburant de l'ensemble. [33] Chacun de ces moyens individuels de pilotage du débit 28 est contrôlé 20 par le biais de moyens de commande, permettant d'envoyer à chacun les consignes relatives au débit de carburant souhaité, convoyé vers les injecteurs 14, en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine. [34] Les moyens de commande électriques peuvent être par exemple 25 intégrés à un calculateur embarqué de la turbomachine, en particulier à un système FADEC permettant l'interfaçage entre le cockpit et le moteur de l'aéronef. Les moyens de commande envoient des instructions aux moyens individuels de pilotage du débit 28 en prenant en considération le régime de la turbomachine. 30 [035] Cet ensemble 1 permet la mise en oeuvre de procédés d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion 2. 8 [36] Le point commun de ces procédés est de faire varier localement, dans certains secteurs de la chambre de combustion, la richesse du mélange air-carburant tout en conservant une même valeur de richesse globale. [37] Comme illustré par la figure 2, les injecteurs 14 sont régulièrement 5 répartis autour de l'axe longitudinal A de la chambre de combustion. Les secteurs de la chambre de combustion 2, visibles sur les figures 3A, 3B, 3C et 3D, sont les portions angulaires comprenant un ou plusieurs injecteurs 14 dont les moyens individuels de pilotage de débit 28 sont dans le même état, par rapport à l'axe longitudinal A. 10 [038] Comme détaillé précédemment, les moyens individuels de pilotage 28 sont aptes à prendre deux états, un état fermé où le débit de carburant est nul, et un état ouvert, où le débit de carburant est non nul. Chacun des moyens individuels de pilotage 28 est pilotable de sorte, qu'indépendamment des uns des autres, ils puissent être commuté d'un 15 état fermé à un état ouvert et inversement. [39] Comme on peut le voir sur les figures 3A, 3B, 3C et 3D, certains des injecteurs 14 sont alimentés (représentés en blanc), et d'autres ne sont pas alimentés (représentés en noir), en fonction de l'état (ouvert ou fermé) des moyens individuels de pilotage 28 auxquels les injecteurs 14 20 sont reliés. [40] Les secteurs sont définis comme les secteurs angulaires de la chambre de combustion 2, comprenant un ou plusieurs injecteurs 14 consécutifs étant dans le même état, c'est-à-dire alimentés ou non alimentés. 25 [041] On appelle « motif » le positionnement et l'état de l'ensemble des injecteurs 14 de la chambre de combustion 2. Ces motifs peuvent être statiques (mode statique), ou variable en fonction du temps (mode dynamique). [042] De manière générale, les procédés d'alimentation d'un ensemble tel 30 que décrit précédemment comprennent les étapes suivantes : a) Déterminer le régime du moteur ; 9 b) Piloter l'alimentation d'une partie des injecteurs 14 par le biais des moyens de pilotage du débit 28. [043] Les étapes de ce procédé peuvent être supervisées en partie ou intégralement par le système FADEC de l'aéronef. 5 [044] Ainsi, le calculateur, intégrant les moyens de commande, détermine, en récupérant une multitude de données de contrôle, le régime de fonctionnement du moteur. [45] En prenant en compte le régime de fonctionnement moteur, un motif d'alimentation des injecteurs 14 est choisi en mode statique ou en mode 10 dynamique. Les électrovannes 28 sont ainsi pilotées et synchronisées par le biais du calculateur, en fonction de l'environnement ainsi que des performances du moteur recherché. [46] L'étape b) peut être de plus effectuée en maintenant constant le débit total du carburant acheminé vers les moyens de pilotage du débit. Pour 15 cela, l'ouverture et la fermeture des électrovannes 28 de chaque injecteur 14 sont légèrement décalées dans le temps pour limiter le phénomène de « coup de bélier » c'est à dire limiter les fortes variations de pression dans la rampe 22 alimentant l'ensemble des injecteurs 14. [47] L'étape b) consiste à autoriser ou non l'alimentation de certains 20 injecteurs 14, de sorte que certains injecteurs 14 sont débitants et d'autres non débitants. [48] Le nombre d'injecteurs 14 non débitants, ainsi que le motif, est choisi de sorte à assurer le meilleur compromis entre les performances de combustion recherchés et les hétérogénéités circonférentielles, en 25 température notamment, pouvant affecter des modules situés en aval de la chambre de combustion 2, telle que par exemple la turbine haute pression. Ainsi, ce choix dépend du régime de fonctionnement du moteur pouvant être transitoire (allumage, enroulement, accélération, décélération) ou stabilisé, du débit carburant et de paramètres 30 environnementaux telles que la température, la pression, et l'humidité. 10 [049] Des exemples de motifs en mode statique sont illustrés aux figures 3A, 3B, 3C et 3D. Ces figures illustrent des exemples de motifs pour douze injecteurs 14 débitants, c'est-à-dire alimentés, et six injecteurs 14 non débitants, c'est-à-dire non alimentés. 5 [050] Le motif de la figure 3A est un exemple de motif permettant de favoriser la combustion, notamment lorsque l'aéronef est en phase de descente. Un injecteur 14 est non débitant sur trois injecteurs 14 successifs circonférentiellement. [51] Le motif de la figure 3B présente un avantage lorsque le 10 fonctionnement du régime moteur est au ralenti, au sol par exemple. Ce motif se caractérise par deux injecteurs 14 successifs sont non débitants sur six injecteurs 14 successifs. Il permet en particulier, de limiter les émissions de CO, lorsque l'aéronef se trouve au sol. [52] La figure 3C illustre également un motif permettant de réduire les 15 émissions de CO lors d'un régime au ralenti du moteur, le motif se distinguant du 3B, par sa non périodicité. [53] La figure 3D illustre un motif pour favoriser la propagation de flamme après l'allumage de la turbomachine. Ce motif se caractérise par un secteur angulaire de la chambre de combustion 2 dans lequel aucun des 20 injecteurs 14 n'est débitant. [54] De manière générale, des motifs axisymétriques et non axisymétriques d'injecteurs 14 débitants et non débitants peuvent être envisagés en fonction du régime de fonctionnement et des performances recherchés de la turbomachine. 25 [055] Le nombre d'injecteurs 14 non débitant peut varier dynamiquement et périodiquement pour un régime de fonctionnement moteur, en particulier lorsqu'il est transitoire. [056] Par exemple, l'étape b) du procédé peut varier selon une période dt. Entre autres, la période dt est adaptée au régime de fonctionnement du 30 moteur, ainsi qu'aux performances souhaitées. 11 [57] Dans un exemple particulier, le démarrage de la turbomachine, lors de l'allumage de la chambre de combustion 2, le nombre d'injecteurs 14 non débitants peut varier dynamiquement mais non périodiquement. L'étape a) du procédé d'alimentation précédemment décrit peut être 5 précédée des étapes suivantes, d'allumage de la chambre de combustion 2: Commander les moyens de pilotage du débit 28 de sorte qu'un premier injecteur 14, disposé à proximité de la bougie d'allumage 18 de la chambre de combustion 2, est alimenté en carburant ; 10 Commander les moyens de pilotage du débit 28 de sorte qu'au moins un second injecteur 14 circonférentiellement adjacent audit premier injecteur 14 est alimenté ; Commander les moyens de pilotage du débit 28 de sorte que les injecteurs 14 restants sont alimentés en carburant successivement en 15 direction circonférentielle à partir dudit moins un second injecteur 14. [58] En d'autres termes, lors de l'allumage, les injecteurs 14 proches de la bougie 18 sont commandés pour être débitants, puis les électrovannes 28 sont individuellement pilotées pour que les injecteurs 14 voisins de proche en proche et circonférentiellement soient débitants pour assurer 20 la propagation de la flamme à toute la chambre. [59] En dehors du cas particulier de la phase d'allumage de la chambre de combustion 2, la gestion dynamique des injecteurs 14 débitants et non débitants, permet, à richesse de chambre de combustion 2 constante, de faire varier la richesse locale dans les secteurs où les injecteurs 14 sont 25 débitants, c'est-à-dire alimentés. Ce contrôle de la richesse locale, permet ainsi d'optimiser la combustion sur les plans suivants : la marge à l'extinction, la capacité d'allumage, l'émission de particules et de polluants gazeux, la marge aux instabilités de combustion. [60] Le contrôle dynamique de la richesse par secteur, permet, lors d'un 30 fonctionnement prolongé, de contrôler la durée de coupure de l'alimentation de chacun des injecteurs 14, selon un motif et une 12 périodicité de la combustion sectorisée. La figure 4 illustre un exemple de mode dynamique de variation périodique du motif d'un ensemble 1, comprenant dix-huit injecteurs 14. Chaque injecteur 14 est alimenté, donc débitant, pendant deux périodes, c'est-à-dire 2 x dt et non alimenté, donc 5 non débitant, pendant une période cit. La période dt ainsi que le motif sont choisis de sorte à obtenir les meilleures performances de combustion dépendant également du débit du carburant d'alimentation, de la pression et de la température de la chambre 2. Les durées d'alimentation et de coupure des injecteurs 14 sont aussi choisies de 10 manière à assurer un délai d'autoallumage satisfaisant lors de la réalimentation des injecteurs 14. [061] Le contrôle dynamique des injecteurs 14 peut donc reposer à la fois sur des lois préétablies, stockées dans la mémoire du système FADEC ou d'un calculateur, basées sur le régime de fonctionnement du moteur 15 (par exemple prenant en compte les conditions de vol, le régime fonctionnement du moteur stabilisé ou transitoire, l'ingestion d'eau, des conditions givrantes) mais aussi sur des lois basées sur la surveillance en temps réel de l'état thermique du moteur, des conditions d'alimentations de la chambre de combustion 2 (débit du carburant) et de 20 la réponse du moteur (gradients de régime, températures des gaz aval chambre, REVENDICATIONS1. Ensemble (1) de chambre de combustion (2) annulaire d'axe longitudinal (A) pour turbomachine comprenant une paroi annulaire de fond de chambre (8) traversée par une pluralité d'injecteurs (14) de carburant régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal (A) et reliés à des moyens d'amenée de carburant, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande de moyens individuels de pilotage du débit de carburant (28) de chaque injecteur (14). 2. Ensemble (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'amenée comprennent une unique rampe annulaire d'alimentation (22) en carburant reliée à chacun des moyens individuels de pilotage du débit de carburant (28) d'un injecteur (14). 3. Ensemble (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen individuel de pilotage du débit (28) est une électrovanne. 4. Ensemble (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande sont intégrés à un calculateur d'une turbomachine. 5. Procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion (2) comprenant un ensemble (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : a) Déterminer le régime du moteur ; b) Piloter l'alimentation d'une partie des injecteurs (14) par le biais des moyens individuels de pilotage du débit (28). 6. Procédé d'alimentation selon la revendication 5, dans lequel l'étape b) est effectuée en maintenant constant le débit du carburant acheminé vers les moyens individuels de pilotage du débit (28). 7. Procédé d'alimentation selon la revendication 5 ou 6 d'une chambre de combustion (2) comprenant en outre au moins une bougie d'allumage (18), dans lequel l'étape a) est précédée des étapes : 14 Commander les moyens individuels de pilotage du débit (28) de sorte qu'un premier injecteur (14), agencé circonférentiellement à proximité de la bougie d'allumage (18) de la chambre de combustion (2), est alimenté en 5 carburant ; Commander les moyens individuels de pilotage du débit (28) de sorte qu'au moins un second injecteur (14) circonférentiellement adjacent audit premier injecteur (14) est alimenté ; 10 Commander les moyens individuels de pilotage du débit (28) de sorte que les injecteurs (14) restants sont alimentés en carburant successivement en direction circonférentiel le à partir dudit au moins un second injecteur (14). 8. Procédé d'alimentation selon l'une des revendications 5 à 7, 15 dans lequel l'étape b) varie selon une période dt.