FR3105985A1 - Circuit multipoint d’injecteur amélioré - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un circuit multipoint (M) d’injecteur de carburant, en particulier pour une turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion (10), ledit circuit multipoint (M) comportant au moins un orifice d’injection (20) destiné à injecter du carburant dans la chambre de combustion (10), l’au moins un orifice d’injection (20) étant alimenté en carburant par des moyens (22) d’alimentation en carburant, caractérisé en ce que l’au moins un orifice d’injection (20) est alimenté en gaz par des moyens (24) d’alimentation en gaz de manière à réaliser un mélange gaz/carburant en amont de la chambre de combustion (10) et à injecter le mélange gaz/carburant dans la chambre (10). Figure pour l'abrégé : Figure 2
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine général des injecteurs de carburant présents dans la chambre de combustion d’une turbomachine d’aéronef.
Arrière-plan technique
De manière connue une turbomachine, telle qu’un turboréacteur comprend une chambre de combustion qui est située en aval d’un compresseur HP (Haute Pression) suivant le sens de circulation des flux d’air dans la turbomachine.
Actuellement, les turboréacteurs fonctionnent classiquement avec des injecteurs de carburant associés à des systèmes d’injection souvent sous la forme de vrilles (axiales ou radiales) utilisant l’air provenant du compresseur HP (Haute Pression) pour pulvériser le carburant dans la chambre de combustion.
Comme notamment illustré dans les documents FR2996287, FR2919672, les injecteurs qui équipent ces chambres sont munis de plusieurs circuits de carburant: un (ou plusieurs) circuit(s) pilote(s) présentant une vrille aéromécanique ou un jet linéique, et un circuit multipoint (ou principal), présentant de multiple jets linéiques dans un flux transversal. Ceux-ci peuvent fonctionner de manière commune ou séparée:
- le ou les circuit(s) pilote(s) permet(tent) d’une part, de réaliser une combustion dite riche et d’autre part, d’alimenter la chambre de combustion en carburant pour les phases d’allumage et d’enroulement du moteur (propagation de la flamme de secteurs à secteurs de chambre).
- le circuit multipoint (circuit principal) qui sert d’une part à réaliser une combustion dite pauvre et d’autre part, à alimenter la chambre de combustion pour les phases de décollage et de vol croisière. Ce circuit peut donc être non débitant sur les faibles régimes; il s’expose alors à des risques de cokéfaction du carburant stagnant qui peut colmater le circuit.
La combustion pauvre étant naturellement instable, le circuit pilote est utilisé avec le circuit multipoint pour assurer la stabilité de la combustion.
De manière bien connue en soit, les chambres de combustion émettent de nombreux polluants (CO2, CO, NOx, particules fines). Les émissions de particule et de NOxsont principalement liées à la qualité et la distribution du spray de carburant dans la chambre de combustion.
Afin de réduire ces émissions, de nouvelles chambres ont été conçues. Ces chambres reposent sur la «combustion pauvre» qui permet de réduire la température des gaz brûlés et ainsi la formation de NOx.
Dans le cadre des dynamiques normatives et gouvernementales visant des réductions importantes (et nécessaires) d’émissions d’imbrûlés, la conception d’injecteurs est toujours à parfaire pour atteindre les objectifs fixés. La problématique de cokéfaction est également essentielle. La taille des gouttes issues de l’atomisation du spray influence directement les gaz imbrulés émis par le moteur, ainsi toute amélioration est bénéfique pour réduire cette problématique. La cokéfaction se forme et s’accroche sur les parois immergées de carburant de l’injecteur. Une fois la cokéfaction formée, elle obture progressivement les injecteurs jusqu’à leur bouchage complet.
La présente invention a notamment pour objectif d’améliorer la qualité du spray afin de réduire les émissions polluantes.
On parvient à réaliser cet objectif, conformément à l’invention grâce à un circuit multipoint d’injecteur de carburant, en particulier pour une turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion, ledit circuit multipoint comportant au moins un orifice d’injection destiné à injecter du carburant dans la chambre de combustion, l’au moins un orifice d’injection étant alimenté en carburant par des moyens d’alimentation en carburant, caractérisé en ce que l’au moins un orifice d’injection est alimenté en gaz par des moyens d’alimentation en gaz de manière à réaliser un mélange gaz/carburant en amont de la chambre de combustion et à injecter le mélange gaz/carburant dans la chambre.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, le changement de la technologie du circuit multipoint permet d’améliorer la qualité du spray de carburant. Elle permet également de limiter les risques d’accumulation de carburant stagnant dans le circuit multipoint présentant alors une forte probabilité de se cokéfier. En effet, le circuit multipoint n’étant pas utilisé dans toutes les phases de vol, une fois l’arrivée de carburant coupée, l’injecteur peut se purger sous l’effet de l’air qui entre toujours dans le circuit multipoint. S’observe alors une accélération de l’air menant à un effet Venturi et une réduction ou suppression du refroidissement de l’injecteur est possible sans augmenter le risque de cokéfaction.
Le circuit multipoint selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres:
- les moyens d’alimentation en carburant comportent une chambre de mélange, les moyens d’alimentation en air débouchant dans cette chambre de mélange,
- la chambre de mélange débouche directement dans l’orifice d’injection,
- les moyens d’alimentation en carburant comprennent une restriction de section de manière à accélérer le carburant et aspirer du gaz,
- les moyens d’alimentation en gaz comprennent un canal débouchant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’écoulement du carburant dans les moyens d’alimentation en carburant,
- les moyens d’alimentation en gaz comprennent un canal débouchant selon une direction sensiblement parallèle à la direction d’écoulement du carburant dans les moyens d’alimentation en carburant,
- l’injection de gaz se fait en amont de l’orifice d’injection, de manière à obtenir une atomisation du carburant avant l’injection dans la chambre de combustion,
- le gaz est injecté dans les moyens d’alimentation en carburant, de manière à créer des perturbations aérodynamiques dans le flux de carburant,
- le gaz est injecté dans les moyens d’alimentation en carburant au centre du flux de carburant, de manière à créer un mélange diphasique fortement turbulent en amont de l’orifice d’injection.
L’invention a également pour objet un système d’injection de carburant dans une chambre de combustion de turbomachine d’aéronef, le système comportant un circuit pilote destiné à injecter du carburant, à travers un orifice d’injection pilote, dans la chambre de combustion et un circuit multipoint selon les caractéristiques précédentes.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels:
Description détaillée de l'invention
Classiquement, une turbomachine comprend un générateur de gaz comportant notamment un ou plusieurs compresseurs, par exemple basse pression et haute pression, disposé(s) en amont d’une chambre de combustion.
Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine. De même, par convention dans la présente demande, les termes « interne » et « externe » sont définis radialement par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine, qui est notamment l’axe de rotation des rotors des compresseurs.
La figure 1 illustre partiellement une chambre 10 de combustion présentant une forme annulaire autour d’un axe X de révolution. L’axe X est sensiblement parallèle la direction générale d’écoulement des gaz G dans la turbomachine. La chambre 10 est placée dans une enceinte annulaire délimitée radialement par un carter annulaire externe 12a et un carter annulaire interne 12b. La chambre 10 est délimitée par des parois annulaires interne 14a et externe 14b coaxiales réunies en amont par une paroi annulaire 16 de fond de chambre. La paroi de fond 16 de la chambre 10 est communément appelée fond de chambre 16.
Comme visible sur la figure 2, le fond de chambre 16 comprend deux types d’orifices d’injection de carburant 18, 20, coopérant chacun avec l’un des deux circuits P, M de carburant présentés en introduction:
- un orifice d’injection pilote 18 associé au circuit pilote P dont le fonctionnement ne sera pas détaillé plus avant dans la présente demande,
- une série d’orifices d’injection multipoint 20 associés au circuit multipoint M.
De manière connue en soi, et comme illustré sur la figure 2, les orifices d’injection multipoint 20 sont répartis angulairement autour de l’axe X et configurés pour être alimentés en carburant par des moyens 22 en carburant. Chaque orifice d’injection 18, 20 permet ainsi l’injection, dans le fond de chambre 16, de carburant.
Classiquement (voir figure 2), de l’air est injecté via des vrilles 26, juste en aval des orifices d’injection 18, 20, directement dans la chambre de combustion 10. Cet air injecté via les vrilles 26 interagit avec le carburant de manière à permettre la combustion de celui-ci.
Dans la présente invention, et comme illustré sur les figures 3a, 3b, 3c, chaque orifice d’injection 20 du circuit multipoint M est, en outre, alimenté en air par des moyens 24 d’alimentation en air en amont de chaque orifice 20. Ceci permet de réaliser un mélange air/carburant avant l’injection dans la chambre de combustion 10. C’est ainsi un mélange air/carburant qui est injecté dans le fond de chambre 16. On se retrouve donc avec un prémélange d’air/carburant en amont de la chambre de combustion.
Le mélange air/liquide est ensuite injecté par l’ensemble des orifices d’injection 20. L’air en sortie de vrilles 26 a alors une très bonne propension à désintégrer la nappe de carburant (mélange air/carburant) injectée dans le chambre de combustion 10.
Les orifices d’injection 20 ne sont donc plus des jets linéiques: ils forment des injecteurs assistés en air (aussi appelés injecteurs à émulsion ou à effervescence) et permettent d’améliorer la qualité de l’atomisation du carburant dans la chambre de combustion 10 en créant une interaction aérodynamique importante en sortie de chaque orifice d’injection 20.
Les débits gazeux injectés via les moyens 24 d’alimentation en air sont faibles par rapport aux débits gazeux circulant dans les vrilles 26 mais permettent néanmoins une amélioration sensible de la qualité de l’atomisation dans la chambre de combustion 10. Le gaz introduit n’a pas besoin d’être soluble dans le carburant.
Les moyens 24 d’alimentation en gaz sont, par exemple, des canaux. Ces canaux peuvent déboucher selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’écoulement du carburant dans la chambre de combustion 10. Ces canaux peuvent aussi, par exemple, déboucher selon une direction sensiblement parallèle à la direction d’écoulement du carburant dans la chambre de combustion 10.
La direction d’écoulement du carburant peut être la même que la direction d’injection dudit carburant.
Selon un premier mode de réalisation illustré en figure 3a, les moyens d’alimentation 22 en carburant comprennent une restriction de section R de manière à accélérer le carburant qui s’écoule vers la chambre de combustion 10. Les moyens 24 d’alimentation en gaz débouchent, en aval de cette restriction R et de manière sensiblement perpendiculaire à la direction d’injection du carburant, dans les moyens 22 d’alimentation en carburant. Ainsi, cette accélération de carburant permet d’aspirer de l’air et de générer le prémélange air/carburant.
Dans le cas de ce premier mode de réalisation, l’introduction d’air en amont de l’orifice d’injection 20 permet de réaliser une première atomisation du carburant. Une deuxième atomisation du carburant est réalisée, dans la chambre de combustion 10, en aval des orifices d’injection 18, 20.
Dans les deux modes de réalisation illustrés aux figures 3b et 3c, les moyens 22 d’alimentation en carburant comportent une chambre de mélange 28 et les moyens 24 d’alimentation en gaz débouchent dans cette chambre de mélange 28. Chaque orifice d’injection 20 est ainsi muni d’une telle chambre de mélange 28 et chaque chambre de mélange 28 débouche directement dans l’orifice d’injection 20.
Dans le mode de réalisation illustré en figure 3b, les moyens 24 d’alimentation en gaz débouchent, comme dans le mode de réalisation précédent, sensiblement perpendiculairement à la direction d’écoulement du carburant. Dans ce deuxième mode de réalisation, de l’air est injecté dans le carburant et cette injection crée des perturbations aérodynamiques dans le flux de carburant en amont de l’orifice d’injection 20.
Dans le troisième mode de réalisation illustré à la figure 3c, le gaz est injecté axialement, dans une direction sensiblement parallèle à l’écoulement du carburant. L’injection de l’air est, en outre, réalisée au centre du flux de carburant. Ainsi, dû à la faible inertie du carburant relativement au gaz injecté, le carburant reste proche des parois de la chambre de mélange 28 et on assiste à la création d’un mélange diphasique fortement turbulent.
Par ailleurs, et ce, peu importe le mode de réalisation considéré, lorsque le circuit multipoint M ne débite pas de carburant, l’air circulant dans le circuit multipoint M crée une dépression (accélération de l’air, effet venturi) et draine ainsi le carburant stagnant. L’invention permet ainsi, en plus d’améliorer l’efficacité du spray injecté dans la chambre de combustion 10, de limiter le temps d’exposition du carburant stagnant dans ce circuit multipoint (M) aux fortes températures de la chambre de combustion 10. Ainsi, on limite fortement le risque de gommage voire de cokéfaction du carburant.
Claims (11)
- Circuit multipoint (M) d’injecteur de carburant, en particulier pour une turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion (10), ledit circuit multipoint (M) comportant au moins un orifice d’injection (20) destiné à injecter du carburant dans la chambre de combustion (10), l’au moins un orifice d’injection (20) étant alimenté en carburant par des moyens (22) d’alimentation en carburant,
caractérisé en ce quel’au moins un orifice d’injection (20) est alimenté en gaz par des moyens (24) d’alimentation en gaz de manière à réaliser un mélange gaz/carburant en amont de la chambre de combustion (10) et à injecter le mélange gaz/carburant dans la chambre (10). - Circuit multipoint (M) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens (22) d’alimentation en carburant comportent une chambre de mélange (28), les moyens d’alimentation en air débouchant dans cette chambre de mélange (28).
- Circuit multipoint (M) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la chambre de mélange (28) débouche directement dans l’orifice d’injection (20).
- Circuit multipoint (M) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (22) d’alimentation en carburant comprennent une restriction de section (R) de manière à accélérer le carburant et aspirer du gaz.
- Circuit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens (24) d’alimentation en gaz comprennent un canal débouchant selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction d’écoulement du carburant dans les moyens (22) d’alimentation en carburant.
- Circuit multipoint (M) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (24) d’alimentation en gaz comprennent un canal débouchant selon une direction sensiblement parallèle à la direction d’écoulement du carburant dans les moyens (22) d’alimentation en carburant.
- Circuit multipoint (M) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’injection de gaz se fait en amont de l’orifice d’injection (20), de manière à obtenir une atomisation du carburant avant l’injection dans la chambre de combustion (10).
- Circuit multipoint (M) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz est injecté dans les moyens d’alimentation (22) en carburant, de manière à créer des perturbations aérodynamiques dans le flux de carburant.
- Circuit multipoint (M) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gaz est injecté dans les moyens (22) d’alimentation en carburant au centre du flux de carburant, de manière à créer un mélange diphasique fortement turbulent en amont de l’orifice d’injection (20).
- Système d’injection de carburant dans une chambre de combustion (10) de turbomachine d’aéronef, le système comportant un circuit pilote (P) destiné à injecter du carburant, à travers un orifice d’injection pilote (18), dans la chambre de combustion (10) et un circuit multipoint (M) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
- Turbomachine comprenant un système d’injection selon la revendication précédente.
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