Brevet FR3135114A1 — publié le 20231103

Procédé d’injection, pour un dispositif d’injection dans une chambre de combustion d’une turbomachine d’aéronef, ledit dispositif d’injection comportant un canal interne (6) entouré par un canal annulaire externe (8), lesdits canaux débouchant dans ladite chambre de combustion (4, 4’) de ladite turbine à gaz, caractérisé en ce qu’il comporte une injection d’un mélange dihydrogène-air (12a) de richesse en hydrogène supérieure au dosage stœchiométrique dans ledit canal interne (6) et une injection d’air dans ledit canal annulaire externe (8) en sorte de réaliser, au niveau de la sortie dudit canal interne (6), un premier front de flamme (30) issu d’une combustion riche entouré par un second front de flamme (31) issu d’une combustion pauvre. Figure 3 PROCEDE D’INJECTION DE MELANGE HYDROGENE-AIR POUR BRULEUR DE TURBOMACHINE La présente divulgation relève du domaine des procédés d’alimentation des dispositifs d’injection de turbines à gaz telles que des turbomachines d’aéronefs alimentées par du dihydrogène et de l’air. Cela inclut notamment les applications aéronautiques civiles et militaires : hélicoptères, VTOL, drones, APU, turbogénérateurs, les appareils à voilure fixe pour l’aviation de loisir, d’affaire ou commerciale, turboréacteurs ou turbopropulseurs. Les secteurs de la propulsion et notamment le secteur aéronautique font face à de grands enjeux environnementaux. L’intérêt d’avoir recours à une combustion utilisant du dihydrogène plutôt qu’à l’emploi de kérosène est de plus en plus fort car cette combustion de dihydrogène permettrait d’éviter les émissions polluantes carbonées telles que du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés ou encore des particules fines et fumées. Un principe de brûleurs à micro-mélange d’air et de dihydrogène est connu. Les bruleurs réalisés selon ce principe ne garantissent pas l’absence de retour de flamme dans le dispositif d’injection de dihydrogène et possèdent une géométrie complexe. De tels brûleurs présentent un coût de réalisation élevé, une perte de charge élevée et sont spécifiques à une architecture de chambre de combustion donnée. Au niveau de l’injection et de la combustion, deux principales configurations technologiques pour les systèmes d’injection hydrogène-air appliqués aux turbines à gaz existent, à savoir les systèmes d’injection pauvre, et les systèmes d’injection riche. D’une manière plus générale, il est important d’avoir en tête que les procédés d’alimentation à combustion pauvre ont tendance à générer des instabilités thermo acoustiques importantes pouvant endommager ces systèmes alors qu’une combustion stable est nécessaire pour ne pas altérer les performances du moteur. Les procédés d’alimentation à combustion riche, quant à eux, ont tendance à émettre des polluants de manière plus importantes que les procédés à combustion pauvre s’ils ne sont pas dimensionnés correctement. Problème technique L’utilisation de l’hydrogène implique plusieurs problématiques à prendre en considération au niveau de la chambre de combustion : A conditions thermodynamiques équivalentes en pression, température, richesse, la température adiabatique de la flamme d’une combustion hydrogène-air est plus élevée que la flamme issue d’une combustion kérosène-air. De même, les vitesses de flammes issues d’une combustion hydrogène-air sont plus importantes que pour les flammes kérosène-air. Une vitesse de flamme importante peut entrainer des problématiques de retours de flamme dits flashback en anglais dans les systèmes d’injection, notamment au niveau des couches limites, et causer de sérieux dommages à ces systèmes, ou encore causer des problèmes de sécurité. Les limites d’inflammabilité de l’hydrogène sont toutefois plus étendues que celles du kérosène et permettent d’enflammer un mélange hydrogène-air à des richesses plus faibles ou plus élevées que pour le kérosène, ce qui peut permettre d’atteindre finalement des températures de flamme plus faibles qu’avec l’utilisation du kérosène. Enfin, la combustion de l’hydrogène avec l’air a tendance à émettre beaucoup plus de bruit qu’une combustion au kérosène classique et peut donc générer une pollution sonore importante au niveau des aéroports. Le présent document propose un procédé d’injection riche pré-mélangé dédié à la combustion de dihydrogène et d’air permettant de répondre aux problèmes techniques présentés précédemment. Plus précisément, la présente divulgation propose un procédé d’injection, pour un dispositif d’injection dans une chambre de combustion d’une turbomachine d’aéronef, ledit dispositif d’injection comportant un canal interne entouré par un canal annulaire externe, lesdits canaux débouchant dans ladite chambre de combustion de ladite turbine à gaz, le procédé comportant une injection d’un mélange dihydrogène-air de richesse en hydrogène supérieure au dosage stœchiométrique dans ledit canal interne et une injection d’air dans ledit canal annulaire externe en sorte de réaliser, au niveau de la sortie dudit canal interne, un premier front de flamme issu d’une combustion riche entouré par un second front de flamme issu d’une combustion pauvre, après allumage du mélange. Le procédé pour lequel l’injection se fait en continu après allumage afin de faire fonctionner la turbine permet de réduire la température des fronts de flamme ce qui réduit la teneur en NO x des gaz brulés et réduit l’usure de l’injecteur. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants correspondent à des modes de réalisation pouvant être mises en œuvre indépendamment les uns des autres ou en combinaison les uns avec les autres le cas échéant: Le mélange dihydrogène-air peut être d’une richesse en hydrogène supérieure à 2. Avantageusement, ledit mélange dihydrogène-air peut être d’une richesse en hydrogène supérieure ou égale à 4. Un débit d’air dans le canal annulaire externe peut être choisi tel que la richesse globale en sortie de l’ensemble canal interne et canal annulaire externe est fixée entre 0,15 et 0,5 en fonction des points de fonctionnement de la turbomachine. L’injection du mélange dihydrogène/air et le dispositif d’injection peuvent être configurés pour créer au niveau de la sortie du canal interne ledit premier front de flamme, issu de la combustion riche dudit mélange et l’accrocher sur une lèvre périphérique du canal interne. La richesse en hydrogène du mélange peut être choisie pour que ladite combustion riche s’effectue avec une température de front de flamme inférieure à 1800 K ce qui préserve la chambre de combustion. La richesse en hydrogène du mélange peut être choisie pour que le premier front de flamme soit laminaire et comporte un nombre de Lewis supérieur à 1 limitant les instabilités thermo-diffusives et évitant ainsi les phénomènes de flashback. Le mélange brûlé dans le premier front de flamme génère des gaz résiduels qui sont avantageusement brûlés dans le second front de flamme stabilisé par l’apport d’air du canal annulaire externe. La richesse du second front de flamme est telle que le second front de flamme peut être maintenu à une température inférieure à 1800K. L’air injecté par le canal annulaire peut être mis en rotation par une vrille annulaire en sorte de rendre le second front de flamme turbulent et de sorte que ce second front de flamme ne soit pas attaché à la lèvre du canal interne. Avantageusement, positionner l’extrémité aval du canal interne en amont de l’extrémité aval du canal annulaire externe permet d’optimiser le mélange entre les gaz issus de la première combustion et l’air injecté par le canal externe. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non limitatifs, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : montre une turbomachine comprenant un dispositif d’injection agencé dans un fond annulaire d’une chambre annulaire de combustion selon trois configurations; montre un premier exemple schématique en vue de côté coupe d’un dispositif d’injection auquel s’applique le procédé de la présente divulgation; montre une vue schématique du dispositif de la en situation de combustion; montre une pluralité de configurations possibles (figures. A, B, C, D, E) de canal interne d’un dispositif auquel s’applique le procédé de la présente divulgation; montre une pluralité d’exemples de configurations de sorties de canal annulaire (figures A, B, C) pour un dispositif auquel s’applique le procédé de la présente divulgation. Procédé d’injection, pour un dispositif d’injection dans une chambre de combustion (4, 4’) d’une turbomachine d’aéronef (1), ledit dispositif d’injection comportant un canal interne (6) entouré par un canal annulaire externe (8), lesdits canaux débouchant dans ladite chambre de combustion (4, 4’) de ladite turbine à gaz, caractérisé en ce qu’il comporte une injection d’un mélange dihydrogène-air (12a) de richesse en hydrogène supérieure au dosage stœchiométrique dans ledit canal interne (6) et une injection d’air dans ledit canal annulaire externe (8) en sorte de réaliser, au niveau de la sortie dudit canal interne (6), un premier front de flamme (30) issu d’une combustion riche entouré par un second front de flamme (31) issu d’une combustion pauvre. Procédé d’injection selon la revendication 1 pour lequel ledit mélange dihydrogène-air (12a) est d’une richesse en hydrogène supérieure à 2. Procédé d’injection selon la revendication 1 pour lequel ledit mélange dihydrogène-air (12a) est d’une richesse en hydrogène supérieure ou égale à 4. Procédé d’injection selon la revendication 1, 2 ou 3 pour lequel un débit d’air dans le canal annulaire externe est choisi tel que la richesse globale en sortie de l’ensemble canal interne (6) et canal annulaire externe (8) est fixée entre 0,15 et 0,5 en fonction des points de fonctionnement de la turbomachine. Procédé d’injection selon l’une quelconque des revendications précédentes pour lequel l’injection du mélange dihydrogène/air (12a) et le dispositif sont configurés pour créer au niveau de la sortie du canal interne (6) ledit premier front de flamme (30) issu d’une combustion riche dudit mélange et l’’accrocher sur une lèvre (16) du canal interne (6), après allumage du mélange. Procédé d’injection selon la revendication 5 pour lequel la richesse en dihydrogène du mélange est choisie pour que ladite combustion riche s’effectue avec une température de front de flamme inférieure à 1800 K. Procédé d’injection selon la revendication 5 ou 6 pour lequel la richesse en dihydrogène du mélange est choisie pour que le premier front de flamme (30) soit laminaire et comporte un nombre de Lewis supérieur à 1 limitant des instabilités thermo-diffusives. Procédé d’injection selon la revendication 5, 6 ou 7 pour lequel le mélange brûlé dans le premier front de flamme génère des gaz résiduels brûlés dans le second front de flamme (31) stabilisé par l’apport d’air du canal annulaire externe. Procédé d’injection selon la revendication 8 pour lequel le second front de flamme est maintenu à une température inférieure à 1800K. Procédé d’injection selon la revendication 8 ou 9 pour lequel l’air injecté par le canal annulaire est mis en rotation par une vrille annulaire (28).