FR3129691A1 - Injecteur pour une turbomachine - Google Patents
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Abstract
Injecteur (2) pour une turbomachine (1) comprenant un corps allongé (3) suivant un axe longitudinal (X), le corps (3) comprenant au moins un premier conduit (4) d’alimentation d’une tête de pulvérisation (5), l’injecteur (2) comprenant en outre un écran thermique (6) disposé à distance autour du premier conduit (4), caractérisé en ce que le premier conduit (4) et l’écran thermique (6) définissent entre eux une cavité (7) annulaire étanche, la cavité (7) étant radialement délimitée par une peau externe (8) du premier conduit (4) et une paroi interne (9) de l’écran (6), l’injecteur (2) comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) sur la peau externe (8) du premier conduit (4) et la paroi interne (9) de l’écran (6). Figure pour l'abrégé : 1
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un injecteur pour une turbomachine et à son procédé de fabrication.
Arrière-plan technique
Une turbomachine comprend classiquement un générateur de gaz comportant notamment un ou plusieurs compresseurs disposés en amont d’une chambre de combustion, suivant le sens d’écoulement des gaz au sein du générateur de gaz.
Une chambre de combustion est alimentée en air (provenant du ou des compresseurs) via un diffuseur et en carburant via des injecteurs.
Traditionnellement, chaque injecteur comprend un corps allongé (également appelé « bras » ou « canne ») qui comporte au moins un conduit d’alimentation en carburant (généralement deux conduits coaxiaux) d’une tête de pulvérisation qui débouche dans la chambre de combustion.
La combustion du mélange air/carburant est initiée par un dispositif d’allumage et engendre de fortes températures dans et au voisinage de la chambre. Les injecteurs disposés à proximité directe de la chambre sont donc particulièrement exposés aux fortes températures.
Pour protéger le carburant circulant dans l’injecteur face aux fortes températures de l’espace environnant, et ainsi éviter sa cokéfaction, il est connu d’implanter une protection thermique autour du corps. Cette protection thermique peut se présenter par exemple sous la forme d’une tôle, d’une lame d’air ou d’un revêtement.
La cokéfaction du carburant dépend directement de sa température. En effet, au-delà d’une température critique, le carburant s’oxyde et se cokéfie. La cokéfaction du carburant se traduit par l’apparition d’un dépôt noirâtre dans le ou les conduits, ce dépôt s’accumulant avec le temps et étant à l’origine d’un encrassement progressif de l’injecteur (notamment au niveau du coude et de la tête de pulvérisation). L’encrassement de l’injecteur dégrade l’injection (et notamment l’homogénéité de la carburation), et de manière plus générale les performances de la chambre de combustion et de la turbomachine.
Le risque de cokéfaction du carburant est d’autant plus important durant les régimes de ralenti ou d’arrêt de la turbomachine. En effet, durant ces régimes, le débit de carburant est faible ou nul, ce qui a pour conséquence d’entrainer une exposition prolongée du carburant aux fortes températures, et par conséquent une hausse de sa température.
Le régime d’arrêt est le plus critique. En effet, lors de l’arrêt de la turbomachine, le carburant stagnant dans le ou les conduits est soumis au retour de chaleur (plus connu sous le terme anglais « soak-back »). Plus précisément, le retour de chaleur correspond au transfert de chaleur qui s’opère, depuis les pièces dites chaudes vers les pièces dites froides, dès lors que les pièces rotatives s’immobilisent. On note que le ou les conduits sont considérés comme des pièces froides car le carburant arrive dans l’injecteur à une température bien inférieure à celle de l’espace environnant.
Pour répondre à des normes environnementales et sonores toujours plus strictes, dorénavant, les turbomachines fonctionnent davantage à des régimes de fonctionnement présentant des débits de carburant faibles, voire très faibles.
Il a été constaté que les moyens de protection thermiques précités ne sont pas compatibles avec un fonctionnent accru sous des régimes à faible débit tels qu’énoncés ci-dessus. En effet, il est constaté que la température du carburant se rapproche ou atteint plus souvent la température critique d’apparition de la cokéfaction, ce qui risque d’accélérer l’encrassement de l’injecteur, et par conséquent d’abaisser sa durée de vie.
Les motoristes cherchent donc aujourd’hui des solutions pour protéger plus efficacement le carburant s’écoulant dans l’injecteur face aux fortes températures, et ainsi permettre un fonctionnement accru de la turbomachine sous des régimes à faible débit.
L’objectif de la présente invention est donc d’apporter une solution simple, efficace et économique permettant de répondre à problématique précitée.
L’invention propose ainsi un injecteur pour une turbomachine comprenant un corps allongé suivant un axe longitudinal X, le corps comprenant au moins un premier conduit d’alimentation d’une tête de pulvérisation, l’injecteur comprenant en outre un écran thermique disposé à distance autour du premier conduit,
caractérisé en ce que le premier conduit et l’écran thermique définissent entre eux une cavité annulaire étanche, la cavité étant radialement délimitée par une peau externe du premier conduit et une paroi interne de l’écran, l’injecteur comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran.
caractérisé en ce que le premier conduit et l’écran thermique définissent entre eux une cavité annulaire étanche, la cavité étant radialement délimitée par une peau externe du premier conduit et une paroi interne de l’écran, l’injecteur comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran.
Une telle cavité (avec au moins un dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran) protège plus efficacement le carburant s’écoulant dans l’injecteur face aux fortes températures, au bénéfice notamment de la durée de vie de l’injecteur et d’un fonctionnement accru de la turbomachine sous des régimes à faible débit.
Le carburant cokéfié ou cuit (également appelé « coke ») s’avère être une protection thermique extrêmement efficace face aux sollicitations thermiques.
En effet, premièrement, les dépôts noirâtres de carburant cokéfié sur la peau externe et la paroi interne forment une double protection contre le rayonnement thermique émis par la chambre et les pièces avoisinantes. L’opacité des dépôts s’avère redoutablement efficace pour stopper les échanges radiatifs émis par les pièces métalliques incandescentes, rayonnant fortement dans l’infrarouge.
Deuxièmement, l’écran et les dépôts de carburant cokéfié forment une triple protection contre la conduction thermique.
Troisièmement, la cavité munie des dépôts de carburant cokéfié présente une grande inertie thermique, et autrement dit une forte capacité à stocker de la chaleur tout en la restituant très progressivement. L’inertie thermique de la cavité dépend notamment du volume de la cavité et de la masse de carburant cokéfié introduite dans la cavité. Une telle inertie thermique permet plus particulièrement de protéger le carburant contre les pics de température, lors notamment d’un régime de ralenti à faible débit ou d’arrêt.
L’injecteur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- chaque dépôt de carburant cokéfié présente une épaisseur d’au moins 3mm ;
- le corps comprend un second conduit d’alimentation de la tête de pulvérisation, le second conduit étant disposé à l’intérieur du premier conduit, le second conduit définissant intérieurement un circuit primaire, les premier et second conduits définissant entre eux un circuit secondaire ;
- l’écran thermique présente une section dont la dimension maximale est au moins égale à deux fois la dimension maximale d’une section du premier conduit ;
- la cavité est longitudinalement délimitée par une bague d’étanchéité supérieure et une bague d’étanchéité inférieure disposées entre le premier conduit et l’écran.
- chaque dépôt de carburant cokéfié présente une épaisseur d’au moins 3mm ;
- le corps comprend un second conduit d’alimentation de la tête de pulvérisation, le second conduit étant disposé à l’intérieur du premier conduit, le second conduit définissant intérieurement un circuit primaire, les premier et second conduits définissant entre eux un circuit secondaire ;
- l’écran thermique présente une section dont la dimension maximale est au moins égale à deux fois la dimension maximale d’une section du premier conduit ;
- la cavité est longitudinalement délimitée par une bague d’étanchéité supérieure et une bague d’étanchéité inférieure disposées entre le premier conduit et l’écran.
La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d’un injecteur tel que décrit précédemment, le procédé comprenant chronologiquement les étapes consistant à :
a) réaliser un injecteur brut comprenant le corps, l’écran et la cavité ;
c) remplir totalement la cavité de l’injecteur brut avec du carburant liquide ;
d) étanchéifier la cavité ;
e) placer l’injecteur brut dans une enceinte chauffée à au moins 400°C et alimenter le premier conduit en air à au moins 400°C pendant au moins 5 heures, de manière à obtenir le dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran.
a) réaliser un injecteur brut comprenant le corps, l’écran et la cavité ;
c) remplir totalement la cavité de l’injecteur brut avec du carburant liquide ;
d) étanchéifier la cavité ;
e) placer l’injecteur brut dans une enceinte chauffée à au moins 400°C et alimenter le premier conduit en air à au moins 400°C pendant au moins 5 heures, de manière à obtenir le dépôt de carburant cokéfié sur la peau externe du premier conduit et la paroi interne de l’écran.
Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le procédé comprend, à la suite de l’étape e), une étape consistant à :
f) refroidir l’injecteur à température ambiante pendant au moins 5 heures ;
- le carburant liquide est non traité ;
- l’enceinte est mouvante au cours de l’étape e), de manière à assurer un brassage continu du carburant dans la cavité.
- le procédé comprend, à la suite de l’étape e), une étape consistant à :
f) refroidir l’injecteur à température ambiante pendant au moins 5 heures ;
- le carburant liquide est non traité ;
- l’enceinte est mouvante au cours de l’étape e), de manière à assurer un brassage continu du carburant dans la cavité.
La présente invention concerne également une turbomachine comprenant un injecteur tel que décrit précédemment.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Claims (10)
- Injecteur (2) pour une turbomachine (1) comprenant un corps allongé (3) suivant un axe longitudinal (X), le corps (3) comprenant au moins un premier conduit (4) d’alimentation d’une tête de pulvérisation (5), l’injecteur (2) comprenant en outre un écran thermique (6) disposé à distance autour du premier conduit (4),
caractérisé en ce que le premier conduit (4) et l’écran thermique (6) définissent entre eux une cavité (7) annulaire étanche, la cavité (7) étant radialement délimitée par une peau externe (8) du premier conduit (4) et une paroi interne (9) de l’écran (6), l’injecteur (2) comprenant au moins un dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) sur la peau externe (8) du premier conduit (4) et la paroi interne (9) de l’écran (6). - Injecteur (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) présente une épaisseur d’au moins 3mm.
- Injecteur (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (3) comprend un second conduit (11) d’alimentation de la tête de pulvérisation (5), le second conduit (11) étant disposé à l’intérieur du premier conduit (4), le second conduit (11) définissant intérieurement un circuit primaire (12), les premier et second conduits (4, 11) définissant entre eux un circuit secondaire (13).
- Injecteur (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’écran thermique (6) présente une section dont la dimension maximale est au moins égale à deux fois la dimension maximale d’une section du premier conduit (4).
- Injecteur (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (7) est longitudinalement délimitée par une bague d’étanchéité supérieure (14) et une bague d’étanchéité inférieure (15) disposées entre le premier conduit (4) et l’écran (6).
- Procédé de fabrication d’un injecteur (2) selon l’une des revendications précédentes, le procédé comprenant chronologiquement les étapes consistant à :
a) réaliser un injecteur brut (20) comprenant le corps (3), l’écran (6) et la cavité (7) ;
c) remplir totalement la cavité (7) de l’injecteur brut (20) avec du carburant liquide (16) ;
d) étanchéifier la cavité (7) ;
e) placer l’injecteur brut (20) dans une enceinte (21) chauffée à au moins 400°C et alimenter le premier conduit (4) en air à au moins 400°C pendant au moins 5 heures, de manière à obtenir le dépôt de carburant cokéfié (10a, 10b) sur la peau externe (8) du premier conduit (4) et la paroi interne (9) de l’écran (6). - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé comprend, à la suite de l’étape e), une étape consistant à :
f) refroidir l’injecteur (2) à température ambiante pendant au moins 5 heures. - Procédé selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le carburant liquide (16) est non traité.
- Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l’enceinte (21) est mouvante au cours de l’étape e), de manière à assurer un brassage continu du carburant dans la cavité (7).
- Turbomachine (1) comprenant un injecteur (2) selon l’une des revendications 1 à 5.
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|---|---|---|---|
| FR2112731A FR3129691B1 (fr) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Injecteur pour une turbomachine |
Applications Claiming Priority (2)
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| FR2112731A FR3129691B1 (fr) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | Injecteur pour une turbomachine |
| FR2112731 | 2021-11-30 |
Publications (2)
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|---|---|
| FR3129691A1 true FR3129691A1 (fr) | 2023-06-02 |
| FR3129691B1 FR3129691B1 (fr) | 2024-08-16 |
Family
ID=80225591
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| FR (1) | FR3129691B1 (fr) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6076356A (en) * | 1996-03-13 | 2000-06-20 | Parker-Hannifin Corporation | Internally heatshielded nozzle |
| US6182437B1 (en) * | 1999-06-24 | 2001-02-06 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Fuel injector heat shield |
| WO2014189602A2 (fr) * | 2013-03-14 | 2014-11-27 | United Technologies Corporation | Bouclier thermique à paroi creuse pour un composant d'injecteur de carburant |
| EP3062021A1 (fr) * | 2015-02-27 | 2016-08-31 | United Technologies Corporation | Appareil à buse à combustible remplaçable, système et procédé |
-
2021
- 2021-11-30 FR FR2112731A patent/FR3129691B1/fr active Active
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|---|---|---|---|---|
| US6076356A (en) * | 1996-03-13 | 2000-06-20 | Parker-Hannifin Corporation | Internally heatshielded nozzle |
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