Brevet FR3093243A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : CORPS SEMI-CONDUCTEUR POUR UNE Bougie d'allumage de TURBOMACHINE Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine général de l'aéronautique et en particulier des bougies d'allumage de type semi-conducteur pour une turbomachine. Arrière-plan technique [0002] De manière générale une turbomachine comprend d'amont en aval suivant le sens de circulation des fluides, au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine. La chambre de combustion reçoit du carburant via des injecteurs et une partie de l'air provenant du compresseur qui sera mélangé au carburant, ce mélange étant brûlé dans la chambre de combustion. L'allumage de la chambre de combustion est assuré par au moins une bougie disposée en partie dans la chambre de combustion et apte à générer une étincelle. La bougie est généralement installée en position basse pour les turboréacteurs. [0003] Les bougies d'allumage de type semi-conducteur se généralisent pour les turbo- machines et comprennent un corps allongé fixé sur la paroi de la chambre de combustion et dont l'extrémité libre traversant la paroi se trouve dans la chambre de combustion. L'extrémité libre comprend un corps semi-conducteur logé entre une portion d'une électrode centrale s'étendant à l'intérieur du corps et une électrode extérieure dite électrode de masse avec laquelle le corps semi-conducteur est en contact de manière à créer des étincelles. Le corps semi-conducteur comprend une forme générale conique qui épouse en partie la forme de l'électrode extérieure. La bougie comprend également un élément isolant destiné à isoler électriquement l'électrode centrale du corps de la bougie et qui est également fixé à une surface conique du corps semi-conducteur. En particulier, l'élément isolant assure un appui du corps céramique sur une surface de contact de l'électrode extérieure. [0004] Il arrive que l'élément isolant se désolidarise du corps semi-conducteur, ce qui impacte la durée de vie des bougies qui doit être de l'ordre de 800 heures. Or, aujourd'hui à cause de cet inconvénient, la durée de vie des bougies avoisine plutôt la centaine d'heures. La désolidarisation peut intervenir lors des vibrations de la turbomachine ou de choc de divers organes sur la paroi de la chambre de combustion qui porte les bougies. Lorsque le corps semi-conducteur est désolidarisé de l'élément isolant, celui-ci se déplace sous l'effet des vibrations induisant une érosion par friction avec l'élément isolant. En particulier, le corps semi-conducteur tourne autour de l'électrode centrale sous l'effet des vibrations. Il se trouve que même l'élément isolant 2 peut être endommagé et qu'il soit nécessaire de remplacer la bougie dans son ensemble. L'usure du corps semi-conducteur entraine une augmentation d'un jeu avec l'électrode de masse jusqu'à ce que le jeu soit trop important pour permettre la génération d'une étincelle. 11 n'y a plus de contact entre le semi-conducteur et l'électrode de masse. Résumé de l'invention [0005] L'objectif de la présente invention est de fournir un corps semi-conducteur permettant d'améliorer et de maintenir un contact physique entre celui-ci et une électrode extérieure d'une bougie d'allumage. [0006] On parvient à cet objectif conformément à l'invention grâce à un corps semi- conducteur de révolution autour d'un axe principal pour une bougie d'allumage de turbomachine, le corps semi-conducteur comprenant une embase et une portion supérieure s'étendant depuis l'embase suivant l'axe principal, l'embase comprenant une surface de fond définie sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe principal et une première surface conique destinée à coopérer par complémentarité de forme avec une surface de contact d'une électrode extérieure de la bougie, la portion supérieure comprenant une interface opposée à la surface de fond suivant l'axe principal et présentant un profil au moins en partie ondulé. [0007] Ainsi, cette solution permet d'atteindre l'objectif susmentionné. En particulier, une telle interface à profil ondulé permet d'augmenter la surface de contact et de fixation entre l'élément isolant et le corps semi-conducteur équipant une bougie d'allumage, ce qui accroît la capacité mécanique de la liaison. L'agencement de cette interface empêche la rotation et/ou déplacement éventuel(le)(s) et donc une usure prématurée du corps semi-conducteur qui pourrait affecter le jeu entre l'électrode extérieure et le corps semi-conducteur au niveau de la surface de contact. Par ailleurs, cela permet de maintenir le corps semi-conducteur toujours en contact avec l'élément isolant et de garantir un contact suffisant lors des vibrations de la turbomachine (lesquelles tendent à faire tourner le semi-conducteur) afin de garantir l'émission d'étincelles. [0008] Le corps semi-conducteur comprenant également l'une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : [0009] la portion supérieure comprend une surface périphérique sensiblement cy- lindrique autour de l'axe principal et délimitant l'interface. l'interface comprend une nervure en saillie suivant l'axe principal. La nervure s'étend dans un plan contenant l'axe principal. la nervure présente une surface externe cylindrique d'axe cylindrique perpen- diculaire à l'axe principal. l'interface comprend deux proéminences diamétralement opposées et 3 disposées de part et (l'autre de la nervure suivant un plan perpendiculaire au plan de la surface de fond. chaque proéminence présente une section conique dans un plan perpendiculaire à l'axe cylindrique. le corps semi-conducteur est réalisé dans un matériau céramique. l'interface présente des ondulations ou vagues s'élevant ou s'abaissant autour de l'axe principal suivant une direction circonférentielle. [0010] L'invention concerne également une bougie d'allumage de type à semi-conducteur pour une turbomachine, la bougie d'allumage comprenant une extrémité libre cylindrique qui s'étend suivant un axe principal, l'extrémité libre comprenant, centrés sur l'axe principal, une électrode centrale, une électrode extérieure, et un corps semiconducteur présentant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées qui est agencé entre l'électrode centrale et l'électrode extérieure, un jeu radial prédéterminé étant prévu entre le corps semi-conducteur et l'électrode extérieure, la bougie comprenant en outre un élément isolant destiné à isoler l'électrode centrale de l'électrode extérieure et à assurer un appui du corps semi-conducteur, auquel celui-ci est fixé, au moins en partie contre une surface de contact de l'électrode extérieure sensiblement suivant la direction principale. [0011] Suivant une caractéristique avantageuse de la bougie, l'élément isolant est fixé à l'interface du corps semi-conducteur au moyen d'une colle telle qu'un ciment. [0012] Suivant une autre caractéristique avantageuse, mais non limitative, le jeu radial pré- déterminé est compris entre 0 et 0.03 mm. [0013] L'invention concerne encore une chambre de combustion pour turbomachine comprenant au moins une bougie d'allumage présentant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. [0014] L'invention concerne en outre une turbomachine comprenant une chambre de combustion telle que susmentionnée et/ou au moins une bougie d'allumage présentant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Brève description des figures [0015] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : [0016] [fig.1] La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un exemple de turbomachine à laquelle s'applique l'invention; [0017] [fig.2] La figure 2 est vue en coupe axiale d'un exemple de chambre de combustion d'une turbomachine selon l'invention ; [0018] [fig.3] La figure 3 est une vue en coupe axiale et partielle d'un exemple de bougie d'allumage pour turbomachine selon l'invention ; [0019] [fig.4] La figure 4 illustre suivant une vue en coupe axiale et de détail une extrémité libre d'un exemple de bougie d'allumage montée sur une paroi de chambre de combustion d'une turbomachine selon l'invention ; [0020] [fig.5] La figure 5 est une vue en perspective d'un exemple de corps semi-conducteur pour une bougie d'allumage de turbomachine selon l'invention ; [0021] [fig.6] La figure 6 est une vue de côté du corps semi-conducteur représenté sur la figure 5 ; [0022] [fig.7] La figure 7 est une vue de dessus du corps semi-conducteur représenté sur la figure 5 ; [0023] [fig.8] La figure 8 est une vue d'un autre côté du corps semi-conducteur de la figure 5; et [0024] [fig.9] La figure 9 est une vue de dessous du corps semi-conducteur de la figure 5. Description détaillée de l'invention [0025] La figure 1 montre une vue en coupe axiale d'une turbomachine d'axe longitudinal X à laquelle s'applique l'invention. La turbomachine représentée est une turbomachine 50 double flux. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type de turbomachine. [0026] Cette turbomachine 50 comprend de manière générale un générateur de gaz 51 en amont duquel est montée une soufflante 52. [0027] Dans la présente invention, et de manière générale, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des fluides dans la turbomachine, et ici suivant l'axe longitudinal X. [0028] Le générateur de gaz 51 comprend un ensemble de compresseur de gaz 53 (pouvant comprendre un compresseur basse pression et un compresseur haute pression), une chambre de combustion 54 et un ensemble de turbine 55 (pouvant comprendre une turbine basse haute et une turbine basse pression). La soufflante 52 génère un flux d'air primaire circulant à travers le générateur de gaz 51 et un flux secondaire circulant autour du générateur de gaz. La turbomachine 50 comprend en outre une tuyère d'éjection 56, située en aval du générateur de gaz 51 par laquelle sont éjectés le flux primaire et le flux secondaire à l'extérieur de la turbomachine, et en particulier dans l'atmosphère. [0029] De manière générale et tel qu'illustré sur la figure 2, la chambre de combustion 54 comprend un carter radialement extérieur 57 et un carter radialement intérieur 58 qui sont centrés chacun sur l'axe longitudinal. [0030] Les termes « interne », « intérieur », « externe extérieur » « radial » et « radialemcnt » sont définis par rapport à un axe radial Z perpendiculaire à l'axe longitudinal X autour duquel s'étend la turbomachine. [0031] Le carter radialement extérieur 57 enveloppe le carter radialement intérieur 58 et forme à une extrémité amont 59 de celui-ci un conduit 60 par lequel le flux d'air primaire, en sortie du compresseur 53, entre dans la chambre de combustion 54. Le carter radialement intérieur 58 comprend en particulier une virole radialement extérieure 60 et une virole radialement intérieure 61. La chambre de combustion comprend également un fond 62 qui relie les viroles radialement extérieure et intérieure 60, 61 vers leurs extrémités amont 60a, 61a respectives. La chambre de combustion 54 comprend des moyens d'injection 63 de carburant dans celle-ci. Ces moyen d'injection 63 comprennent un ou plusieurs injecteurs 64 qui sont montés sur le carter radialement extérieur 57 et répartis régulièrement autour de l'axe longitudinal X. [0032] Chaque injecteur 64 comprend une buse de pulvérisation 65 qui débouche dans le fond 62 de la chambre de combustion et est orientée suivant un axe d'injection suivant lequel un mélange de flux d'air et de carburant circule également dans la chambre de combustion 54. Cet axe d'injection 66 est typiquement incliné par rapport à l'axe longitudinal X. Le fond 62 de la chambre de combustion 54 se trouve sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe d'injection 66. [0033] La chambre de combustion 54 se complète par un système d'allumage 70 de la chambre de combustion 54. Le système d'allumage 70 comprend au moins une bougie d'allumage 1 qui est montée sur une paroi de la chambre de combustion. Plus précisément, la bougie d'allumage 1 est agencée en aval du fond 62 de la chambre de combustion où le mélange d'air et de carburant est enflammé par un arc électrique ou étincelle. En d'autres termes, la bougie est localisée en aval des injecteurs 64 de carburant. Typiquement, la bougie d'allumage 1 est montée sur la paroi du carter radialement extérieur 57 et s'étend transversalement dans la chambre de combustion de sorte que son extrémité libre 2 traverse une des viroles radialement extérieure et intérieure et débouche dans la zone d'allumage. [0034] Les figures 3 et 4 représentent une bougie d'allumage 1 de type semi-conducteur permettant d'enflammer le mélange d'air et de carburant. La bougie d'allumage 1 comprend un corps 3 tubulaire qui s'étend suivant un axe principal A. Ce dernier est transversal à l'axe longitudinal et à l'axe 66. Le corps 3 comprend à une extrémité proximale 4, une semelle 5 s'étendant radialement depuis le corps et destinée à se fixer sur la paroi de la chambre de combustion 54. Le corps 3 reçoit au niveau de l'extrémité proximale 4 un câble d'allumage que comprend le système d'allumage. Le câble d'allumage se visse ici à l'intérieur de cette partie de corps de l'extrémité proximale 4. La paroi interne de l'extrémité proximale 4 comprend un filet coopérant avec celui du câble d'allumage. 6 [0035] Une portion de la paroi du corps 3 comprend un filet externe (non représenté) permettant la fixation de la bougie dans la paroi de la chambre de combustion 54. Le corps 3 est réalisé dans un matériau métallique tel qu'un acier. [0036] La bougie d'allumage 1 comprend également une électrode centrale 6 ou électrode intérieure et une électrode extérieure 7 ou électrode de masse agencée à distance de l'électrode centrale 6. L'électrode centrale 6 s'étend suivant l'axe A principal à l'intérieur du corps et est centrée sur cet axe A. Cette électrode centrale 6 est réalisée dans un matériau conducteur, avantageusement, métallique ou en alliage métallique. L'électrode extérieure 7 est agencée à l'extrémité distalc 8 du corps et présente une forme tubulaire centrée sur l'axe principal A. L'électrode extérieure 7 délimite l'extrémité libre 2 de la bougie. [0037] Comme nous pouvons le voir sur la figure 3, l'électrode extérieure 7 comprend une première extrémité 9 qui s'emboite avec l'extrémité distalc 8 du corps. L'électrode extérieure 7 présente une surface externe 10 qui est affleurante avec celle du corps de la bougie. L'électrode extérieure 7 présente une surface interne 11 (opposée suivant une direction radiale R perpendiculaire à l'axe principal A) à la surface externe 10. La surface interne 11 présente une portion de surface de contact 12 (cf. figure 4) qui est conique vers la deuxième extrémité 13 de l'électrode extérieure 7. Cette deuxième extrémité 13 est opposée à la première extrémité 8 de l'électrode extérieure 7 suivant l'axe principale. [0038] Suivant l'exemple représenté, l'électrode extérieure 7 est réalisée dans un matériau métallique ou un alliage métallique. Dans le cas présent, l'électrode extérieure 7 est une pièce distincte du corps de la bougie. L'électrode extérieure prolonge le corps 3 suivant l'axe principal A. De manière alternative, l'électrode extérieure est venue de matière avec le corps (c'est-à-dire en une seule pièce). [0039] La bougie d'allumage 1 est complétée par un corps semi-conducteur 15 de révolution autour de l'axe principal. Le corps semi-conducteur 15 est avantageusement en céramique. Le corps semi-conducteur 15 est localisé au niveau de l'extrémité libre 2 de la bougie (voire de la deuxième extrémité 13 de l'électrode extérieure). Le corps semiconducteur 15 est agencé (ici suivant la direction radiale R) entre l'électrode extérieure 7 et l'électrode centrale 6. Celui-ci comprend donc un alésage 16 (cf figure 5) coaxial à l'axe principal et qui est destiné à recevoir l'électrode centrale 6. [0040] La bougie d'allumage 1 comprend encore un élément isolant 20 qui est destiné à isoler électriquement l'électrode centrale 6 de l'électrode extérieure 7 de la bougie. L'élément isolant 20 s'étend ici suivant l'axe principal et est pourvu d'un alésage d'axe centré sur l'axe principal lequel est destiné à recevoir l'électrode centrale 6. Cet élément isolant 20 est agencé (ici radialement) entre la paroi du corps (et de l'électrode extérieure) et l'électrode centrale 6. L'élément isolant 20 permet de maintenir le corps 7 semi-conducteur 15 en appui contre l'électrode extérieure 7. Pour cela, la bougie d'allumage comprend une pièce de scellement 17 qui lors de son installation dans la bougie met l'élément isolant 20 en appui contre le corps semi-conducteur 15 suivant l'axe principal. En d'autres termes, l'élément isolant 20 est agencé entre le corps semiconducteur et la pièce de scellement 17. [0041] Avantageusement, l'élément isolant 20 est réalisé dans un matériau céramique. Quant à la pièce de scellement 17 celle-ci est réalisée en verre. La pièce de scellement garantit également l'étanchéité des organes dans la bougie d'allumage 20. [0042] De manière avantageuse, l'élément isolant 20 est fixé également au corps semi- conducteur 15 au niveau d'une interface 25 décrite plus loin dans la description de sorte à éviter les déplacements du corps semi-conducteur dans la bougie d'allumage. [0043] Nous allons décrire plus précisément le corps semi-conducteur en référence aux figures 5 à 9. Le corps semi-conducteur 15 comprend une embase 26 et une portion supérieure 27 s'étendant depuis la base suivant l'axe principal A. L'embase 26 comprend une surface de fond 28 qui est définie dans un plan B perpendiculaire à l'axe principal A. Cette surface de fond 18 est agencée en regard d'une ouverture 29 définie par la bordure 30 de l'électrode extérieure 7 (cf figure 4). En particulier, la surface de fond 28 définie avec une paroi cylindrique de la bordure 30 d'axe principal une cavité 31 où est formée l'étincelle d'allumage du mélange d'air et de carburant. [0044] L'embase 26 comprend en outre une première surface 32 destinée à coopérer au moins en partie par complémentarité de forme avec la surface de contact 12 conique de l'électrode extérieure 7. En d'autres termes, la première surface 32 présente une forme conique. Cette configuration permet de retenir le corps semi-conducteur à l'intérieur de la bougie. Toutefois, un jeu radial prédéterminé est prévu entre au moins une partie de la surface de contact 12 (de la surface interne 11 de l'électrode extérieure 7) et la première surface 32 du corps semi-conducteur 15 de manière à permettre un contact physique entre la surface de contact 12 et la première surface 32 et donc former l'étincelle d'allumage du mélange d'air et de carburant. Le jeu radial prédéterminé est compris entre 0 et 0.03 afin de garantir la formation d'une étincelle. [0045] La portion supérieure 27 présente une base 33 (cf. figure 9) circulaire coaxial à l'axe principal. Dans cet exemple la base 33 présente un diamètre qui est supérieur à celui de l'embase 26 (aussi circulaire) La portion supérieure comprend également l'interface 25 qui est opposée à la surface de fond 28. L'interface 25 présente un profil au moins en partie ondulé de sorte à augmenter la surface de contact entre l'élément isolant 20 électrique et le corps semi-conducteur 15 et à éviter le déplacement et/ou rotation du corps semi-conducteur dans la bougie. [0046] La portion supérieure 27 comprend une surface périphérique 34 sensiblement cy- lindrique autour de l'axe principal A. La surface périphérique 34 délimite l'interface 8 25. Celle-ci s'élève en outre depuis la base 33 de la portion supérieure 27. Nous pouvons voir sur la figure 6 notamment que la surface périphérique prolonge la première surface 32. [0047] L'interface 25 comprend plus précisément une nervure 35 ici centrale en saillie suivant l'axe principal (suivant une direction opposée à la base). La nervure 35 est allongée suivant le diamètre du corps en passant par l'axe principal. De même, la nervure 35 présente une surface externe 36 cylindrique autour d'un axe cylindrique perpendiculaire à l'axe principal A. De même, l'axe cylindrique est défini dans un plan parallèle au plan B de la surface de fond 28. [0048] Comme nous pouvons le voir également sur les figures, l'interface 25 comprend deux proéminences 37, 37' qui sont diamétralement opposées. En particulier, ces proéminences 37, 37 sont disposées de part et d'autre de la nervure 35 suivant un plan C dans lequel est contenu l'axe principal A et suivant lequel s'étend la nervure 35. Chaque proéminence 37,37' présente une section conique dans un plan D perpendiculaire au plan C dans lequel s'étend la nervure 35. Les proéminences 37, 37' s'élèvent de la base depuis les bords longitudinaux 39 délimitant la nervure 35. [0049] Chaque proéminence 37, 37' présente deux flancs 38 qui se rejoignent en une arête de sommet 40 (définie dans le plan D). Les flancs 38 sont avantageusement incurvés. Dans le présent exemple, et en référence à la figure 8, la hauteur maximale de l'arête de sommet 40 est inférieure à la hauteur de la nervure 35 suivant l'axe principale. [0050] Nous voyons également que chaque proéminence 37, 37' comprend une surface externe reliant la surface externe cylindrique de la nervure 33. [0051] De la sorte, l'interface 25 présente des ondulations ou vagues s'élevant ou s'abaissant autour de l'axe principal A suivant une direction circonférentielle. [0052] L'élément isolant 20 présente une surface de fixation ayant une complémentarité de forme avec l'interface 25 du corps semi-conducteur 15. [0053] La fixation de l'élément isolant 20 et du corps semi-conducteur 15 est avanta- geusement réalisée par une colle telle qu'un ciment. 9