EP0718559B1 - Système d'injection d'une chambre de combustion à deux têtes - Google Patents

Système d'injection d'une chambre de combustion à deux têtes Download PDF

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EP0718559B1
EP0718559B1 EP95402625A EP95402625A EP0718559B1 EP 0718559 B1 EP0718559 B1 EP 0718559B1 EP 95402625 A EP95402625 A EP 95402625A EP 95402625 A EP95402625 A EP 95402625A EP 0718559 B1 EP0718559 B1 EP 0718559B1
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EP
European Patent Office
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fuel
head
take
injectors
combustion chamber
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EP95402625A
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German (de)
English (en)
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EP0718559A1 (fr
Inventor
Denis R.H. Ansart
Denis J.M. Sandelis
Bruno M Quinqueneau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones

Definitions

  • the present invention relates to the fuel supply of a two-head combustion chamber of a turbojet engine.
  • Dual-head combustion chambers solve the pollution problem at high revs, because the so-called take-off head is optimized for full gas mode, and it supplies the combustion chamber with a sufficiently lean air-fuel mixture to reduce the production of smoke and the formation of large quantities of nitrogen oxide.
  • pilot head supplies the primary zone of the combustion chamber with a rich air fuel mixture to ensure the flame stability. This richness of the mixture can lead to a production significant smoke at low speeds.
  • the take-off head of the head are offset radially with respect to the axis of the turbojet engine, the temperature profile at the inlet of the high pressure turbine is not homogeneous at low speeds.
  • FR-A-2 421 342 also describes a two-module injector in which the central module is designed to operate only at high speeds.
  • GB-A-2 214 630 and FR-A-2 421 342 do not mention that these two module injectors can equip a take-off head with a chamber with two heads.
  • EP-A-527,629 describes a fuel supply system a two-headed annular combustion chamber, including a three-way valve controlling a circuit pilot head supply and first and second separate main supply circuits supplying all two the main head.
  • the pilot head alone is powered at low idle speeds then a first and a second main circuit are successively opened during the revving.
  • the aim of the present invention is to propose a method supplying fuel to a two-headed combustion chamber which optimizes the operation of this room for all regimes.
  • the first fuel circuit is supplied from 20% of the nominal thrust on the ground.
  • FIG. 1 there is shown by reference 10, a traditional two-head combustion, supplied with air by a diffuser 11 arranged downstream of a compressor not shown.
  • This combustion chamber 10 of annular shape and axis 12, is delimited by an inner wall 13, a outer wall 14 and a chamber bottom 15 connecting the upstream ends of the inner wall 13 and outer wall 14.
  • a passage 16 is provided between the downstream ends of walls 13 and 14 for the flow of hot gases to a turbine not shown.
  • the chamber 10 is arranged between an inner casing 17 and an outer casing 18.
  • casings 17 and 18 are connected to the diffuser 11, and define with walls 13 and 14 annular passages 19 and 20 for the flow of primary air P which feeds the chamber 10 through orifices 21 formed in the walls 13 and 14, and for the flow of an air of cooling of walls 13 and 14.
  • the chamber bottom 15 is equipped with a plurality of injectors for takeoff 22 and a plurality of idle injectors 23 radially distant from the take-off injectors 22.
  • a separating plate 24, directed towards the passage 16, is mounted on the chamber bottom 15 between the take-off injectors 22 and the idle injectors 23. This plate 24 separates the upstream zone from the chamber 10 in a first primary combustion zone supplied by take-off injectors 22, called “take-off head" 25, and in a second primary combustion zone supplied by the idle injectors 23 and called “pilot head” 26.
  • the injectors 22 and 23 are supplied with fuel by separate circuits 27 and 28 and are associated respectively with groups of blades eddies 29 and 30 supplied with air by the diffuser 11, this air being intended for the vaporization of fuel.
  • the idle injectors 23 operate from the bottom regimes and the take-off injectors 22 are only supplied above 25% nominal thrust on the ground F00.
  • the curve C1 represented in FIG. 2 represents the richness R in the primary zone in the vicinity of the pilot head 26, as a function of the thrust nominal F00 on the ground.
  • Curve C2 represents the richness R in the area primary in the vicinity of the take-off head 25, and the curve C3 the richness minimum which corresponds to the lower operating limit.
  • the curve C1 presents a marked drop at 25 % of nominal thrust F00, value at which the take-off head is fueled.
  • the wealth in the primary zone is greater than 100% of the stoichiometric rate fuel / air, which ensures good flame stability, but results in however a production of smoke.
  • the wealth in the primary zone is greater than 0.7 and less than 1.
  • the take-off head 25 of the combustion chamber 10 described above is equipped with take-off injectors 40 provided with two separate fuel systems.
  • Each take-off injector 40 includes a injector body 41 in which a first fuel circuit 42 is provided intended to supply the take-off head 25 at high revs and a second fuel system 43 intended to supply the take-off head from below diets.
  • An axial spin 44 is disposed around the downstream end of the body injector 41. The axial spin 44 is mounted inside a sleeve 45 which extends upstream by a radial flange 46 and downstream by a frustoconical wall 47 flared outwards.
  • a radial spin 48 is mounted downstream of the flange radial 46 and upstream of a bowl 49 fixed on the chamber bottom 15.
  • the second fuel circuit 43 passes through each of the fins 50 of the axial spin 44 and opens into the annular space 51 delimited by the sleeve 45 and the bowl 49 by orifices 52 formed in the sleeve 45.
  • the sleeve 45 and the frusto-conical wall 47 share the take-off head 25 in two modules.
  • the axial module is supplied with fuel by the first fuel circuit 42 and in air by the axial spin 44.
  • the second module is supplied with fuel by the second fuel circuit 43 and with air by the radial spin 48.
  • the passages of tendrils 44 and 48 can be dimensioned to pass more or less air.
  • the module receiving the most air can be either the axial module or the second module.
  • the idle injectors 23 and the second fuel circuit 43 are fueled together from the low regimes so that the richness of the primary zone is at least equal to 80% of the stoichiometric rate, so ensure flame stability and avoid fumes.
  • the distribution of fuel, at low revs, between the second fuel circuit 43 and the idle injectors 23 of the pilot head is such that the second circuit of fuel 43 receives between 40% and 50% of the total flow. From 20% of the nominal thrust on the ground, the two fuel circuits 42 and 43 of the injectors takeoff 40 are fed simultaneously until full gas.
  • Figure 3 shows the representative curves C'1 and C'2 of the richness primary zones of a two-head combustion chamber supplied with fuel according to the process described above.
  • the riches of the pilot head and take-off head are less than 100% of the rate stoichiometric at low speed. This wealth is close to 1 in the diet corresponding to approximately 20% of the nominal thrust on the ground F00, then decreases around 0.7 to 0.8 around 30% of the nominal ground thrust for then increase regularly until full gas.

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Description

La présente invention concerne l'alimentation en carburant d'une chambre de combustion à deux têtes d'un turboréacteur.
Les turboréacteurs d'aviation sont soumis à des régimes variables. Lorsqu'ils équipent en outre des avions militaires, ils doivent émettre le plus faible rayonnement possible, dans le visible et l'infrarouge, afin d'empêcher le repérage de ces avions, à tous les régimes.
Il y a donc lieu de réduire au maximum les émissions de fumées dues aux particules de carbone et les fumées rousses produites par les oxydes d'azote. Ces particules de suie et ces fumées rousses sont principalement produites aux régimes élevés.
Les chambres de combustion à deux têtes permettent de résoudre le problème de la pollution aux régimes élevés, car la tête dite de décollage est optimisée pour le régime plein gaz, et il alimente la chambre de combustion en un mélange air-carburant suffisamment pauvre, afin de réduire la production de fumées et la formations de quantités importantes d'oxyde d'azote.
Aux bas régimes, seule la tête pilote alimente la zone primaire de la chambre de combustion avec un mélange air carburant riche afin d'assurer la stabilité de la flamme. Cette richesse du mélange peut entraíner une production importante de fumées aux bas régimes.
D'autre part, du fait que la tête de décollage de la tête sont décalées radialement par rapport à l'axe du turboréacteur, le profil des températures à l'entrée de la turbine haute pression n'est pas homogène aux bas régimes.
Enfin, du fait que la tête de décollage n'est alimentée en carburant qu'à partir de 25% de la poussée nominale au sol, le richesse dans la zone primaire de la chambre de combustion subit une chute notable au voisinage de taux de poussée.
Il est déjà connu d'équiper des chambres de combustion traditionnelles à une seule tête avec des injecteurs doubles comportant deux modules coaxiaux alimentant des zones séparées de la chambre de combustion au moyen de circuits de carburant séparés et de circuits d'air séparés. Cet état de la technique est illustré notamment par GB-A-2 214 630 qui décrit un injecteur double ayant deux alimentations de carburant séparés : une alimentation principale associée à un premier swirler axial pour alimenter un module central, et une alimentation secondaire associée à un deuxième swirler axial pour alimenter une zone annulairee 106 par l'intermédiaire de canaux ménagés dans les aubes du premier swirler. Le module central fonctionne dès les bas régimes et le module annulaire fonctionne uniquement aux régimes élevés.
FR-A-2 421 342 décrit également un injecteur à deux modules dans lequel le module central est prévu pour ne fonctionner qu'aux régimes élevés.
GB-A-2 214 630 et FR-A-2 421 342 ne mentionnent pas que ces injecteurs à deux modules puissent équiper une tête de décollage d'une chambre à deux têtes.
EP-A-527 629 décrit un système d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion annulaire à deux têtes, comprenant une vanne à trois voies commandant un circuit d'alimentation de la tête pilote et un premier et un second circuits principaux d'alimentation séparés alimentant tous deux la tête principale. La tête pilote seule est alimentée aux bas régimes de ralenti puis un premier et un second circuit principal sont successivement ouverts lors de la montée en régime.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé d'alimentation en carburant d'une chambre de combustion à deux têtes qui permette d'optimiser le fonctionnement de cette chambre à tous les régimes.
L'invention concerne donc un procédé pour alimenter en carburant une chambre de combustion à deux têtes d'un turboréacteur, ladite chambre comportant une tête pilote équipée d'une pluralité d'injecteurs de ralenti et une tête de décollage radialement distante de la tête pilote et équipée d'une pluralité d'injecteurs de décollage comprenant un premier circuit de carburant, procédé selon lequel on alimente ladite chambre de combustion en carburant par l'intermédiaire des injecteurs de ralenti dès les bas régimes et on alimente en outre ladite chambre de combustion en carburant aux régimes élevés par l'intermédiaire desdits premiers circuits de carburant. En outre, on équipe ladite tête de décollage avec des injecteurs de décollage comportant un deuxième circuit de carburant séparé du premier circuit de carburant. Ce procédé est caractérisé par le fait qu'on alimente ladite chambre de combustion en carburant par l'intermédiaire desdits deuxièmes circuits de carburant dès les plus bas régimes,
  • on règle la richesse dans la zone primaire de la chambre de combustion aux bas régimes à une valeur au moins égale à 80 % du taux stoechiométrique et
  • on règle le débit de carburant fourni par le deuxième circuit de carburant à une valeur comprise entre 40 % et 50 % du débit total Wf de carburant fourni par ledit deuxième circuit de carburant et la tête pilote.
    • Avantageusement, on alimente le premier circuit de carburant à partir de 20 % de la poussée nominale au sol.
    D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 est une coupe axiale d'une chambre de combustion traditionnelle à deux têtes d'un turboréacteur ;
  • la figure 2 montre les courbes représentatives de la richesse dans les zones primaires d'une chambre de combustion traditionnelle à deux têtes en fonction de la poussée nominale au sol F00 ;
  • la figure 3 montre les courbes représentatives de la richesse dans les zone primaires d'une chambre de combustion à deux têtes en fonction de la poussée nominale au sol F00, cette chambre étant alimentée en carburant selon le procédé de l'invention ;
  • la figure 4 représente un injecteur de carburant à deux modules équipant la tête de décollage d'une chambre de combustion à deux têtes selon la présente invention ;
  • la figure 5 est une coupe selon la ligne VV de la figure 4 ;
  • la figure 6 est une coupe d'une chambre de combustion à deux têtes équipée de l'injecteur de carburant à deux modules de la figure 4.
    • Sur la figure 1 on a représenté par la référence 10, une chambre de combustion traditionnelle à deux têtes, alimentée en air par un diffuseur 11 disposé en aval d'un compresseur non représenté. Cette chambre de combustion 10, de forme annulaire et d'axe 12, est délimitée par une paroi intérieure 13, une paroi extérieure 14 et un fond de chambre 15 reliant les extrémités amont de la paroi intérieure 13 et de la paroi extérieure 14. Un passage 16 est prévu entre les extrémités aval des parois 13 et 14 pour l'écoulement des gaz chauds vers une turbine non représentée. La chambre 10 est disposée entre un carter intérieur 17 et un carter extérieur 18. Ces carters 17 et 18 sont reliés au diffuseur 11, et définissent avec les parois 13 et 14 des passages annulaires 19 et 20 pour l'écoulement d'un air primaire P qui alimente la chambre 10 par des orifices 21 ménagés dans les parois 13 et 14, et pour l'écoulement d'un air de refroidissement des parois 13 et 14.
    Le fond de chambre 15 est équipé d'une pluralité d'injecteurs de décollage 22 et d'une pluralité d'injecteurs de ralenti 23 radialement distants des injecteurs de décollage 22. Une plaque séparatrice 24, dirigée vers le passage 16, est montée sur le fond de chambre 15 entre les injecteurs de décollage 22 et les injecteurs de ralenti 23. Cette plaque 24 sépare la zone amont de la chambre de combustion 10 en une première zone primaire de combustion alimentée par les injecteurs de décollage 22, dite "tête de décollage" 25, et en une deuxième zone primaire de combustion alimentée par les injecteurs de ralenti 23 et dite "tête pilote" 26. Les injecteurs 22 et 23 sont alimentés en carburant par des circuits séparés 27 et 28 et sont associés respectivement à des groupes d'aubes tourbillonnaires 29 et 30 alimentés en air par le diffuseur 11, cet air étant destiné à la vaporisation du carburant. Dans les chambres de combustion actuelles à deux têtes, les injecteurs du ralenti 23 fonctionnent dès les bas régimes et les injecteurs de décollage 22 ne sont alimentés qu'au delà de 25 % de la poussée nominale au sol F00.
    La courbe C1 représentée sur la figure 2 représente la richesse R dans la zone primaire au voisinage de la tête pilote 26, en fonction de la poussée nominale F00 au sol. La courbe C2 représente la richesse R dans la zone primaire au voisinage de la tête décollage 25, et la courbe C3 la richesse minimum qui correspond à la limite inférieure de fonctionnement.
    On constate que la courbe C1 présente un décrochement prononcé à 25 % de la poussée nominale F00, valeur à laquelle la tête de décollage est alimentée en carburant. En deçà de 25 % de la poussée nominale F 00, la richesse dans la zone primaire est supérieure à 100 % du taux stoechiométrique carburant/air, ce qui assure une bonne stabilité de la flamme, mais entraíne en revanche une production de fumées. Au delà de 25 % de la poussée nominale F00, la richesse dans la zone primaire est supérieure à 0,7 et inférieure à 1.
    Selon l'invention, la tête de décollage 25 de la chambre de combustion 10 décrite ci-dessus est équipée d'injecteurs de décollage 40 munis de deux circuits séparés de carburant. Chaque injecteur de décollage 40 comporte un corps injecteur 41 dans lequel sont prévus un premier circuit de carburant 42 destiné à alimenter la tête de décollage 25 aux régimes élevés et un deuxième circuit de carburant 43 destiné à alimenter la tête de décollage dès les bas régimes. Une vrille axiale 44 est disposée autour de l'extrémité aval du corps injecteur 41. La vrille axiale 44 est montée à l'intérieur d'un manchon 45 qui se prolonge en amont par un flasque radial 46 et en aval par une paroi tronconique 47 évasée vers l'extérieur. Une vrille radiale 48 est montée en aval du flasque radial 46 et en amont d'un bol 49 fixé sur le fond de chambre 15. Le deuxième circuit de carburant 43 traverse chacune des ailettes 50 de la vrille axiale 44 et débouche dans l'espace 51 annulaire délimité par le manchon 45 et le bol 49 par des orifices 52 ménagés dans le manchon 45.
    Le manchon 45 et la paroi tronconique 47 partagent la tête de décollage 25 en deux modules. Le module axial est alimenté en carburant par le premier circuit de carburant 42 et en air par la vrille axiale 44. Le deuxième module est alimenté en carburant par le deuxième circuit de carburant 43 et en air par la vrille radiale 48. Les passages des vrilles 44 et 48 peuvent être dimensionnés pour passer plus ou moins d'air. Le module recevant le plus d'air peut être indifféremment le module axial ou le deuxième module.
    Les injecteurs de ralenti 23 et le deuxième circuit de carburant 43 sont alimentés ensemble dès les bas régimes de telle manière que la richesse de la zone primaire soit au moins égale à 80 % du taux stoechiométrique, afin d'assurer la stabilité de la flamme et éviter les fumées. La répartition du carburant, aux bas régimes, entre le deuxième circuit de carburant 43 et les injecteurs de ralenti 23 de la tête pilote est telle que le deuxième circuit de carburant 43 reçoit entre 40 % et 50 % du débit total. A partir de 20 % de la poussée nominale au sol, les deux circuits de carburant 42 et 43 des injecteurs de décollage 40 sont alimentés simultanément et ce jusqu'au plein gaz.
    La figure 3 montre les courbes représentatives C'1 et C'2 de la richesse des zones primaires d'une chambre de combustion à deux têtes alimentée en carburant selon le procédé décrit ci-dessus. Comme on le voit, les richesses de la tête pilote et de la tête de décollage sont inférieures à 100 % du taux stoechiométrique à bas régime. Cette richesse est voisine de 1 au régime correspondant à environ 20 % de la poussée nominale au sol F00, puis décroít vers 0,7 à 0,8 aux environs de 30 % de la poussée nominale au sol pour augmenter ensuite régulièrement jusqu'au plein gaz.
    Le fait d'alimenter les deux têtes dès les bas régimes permet une meilleure homogénéisation de la nappe de carburant. Aux faibles régimes, le profil des températures obtenu est plus favorable à la durée de vie de la turbine à haute pression.

    Claims (2)

    1. Procédé pour alimenter en carburant une chambre de combustion (10) à deux têtes d'un turboréacteur, ladite chambre comportant une tête pilote (26) équipée d'une pluralité d'injecteurs de ralenti (23) et une tête de décollage (25) radialement distante de la tête pilote et équipée d'une pluralité d'injecteurs de décollage (22) comprenant un premier circuit de carburant (42), procédé selon lequel on alimente ladite chambre de combustion (10) en carburant par l'intermédiaire des injecteurs de ralenti (23)dès les bas régimes et on alimente en outre ladite chambre de combustion (10) en carburant aux régimes élevés par l'intermédiaire desdits premiers circuits de carburant (42), et
      on équipe ladite tête de décollage (25) avec des injecteurs de décollage (40)comportant un deuxième circuit de carburant (43) séparé du premier circuit (42) de carburant caractérisé par le fait qu'on alimente ladite chambre de combustion (10) en carburant par l'intermédiaire desdits deuxièmes circuits de carburant (43) dès les plus bas régimes,
      par le fait qu'on règle la richesse dans la zone primaire de la chambre de combustion (10) aux bas régimes à une valeur au moins égale à 80 % du taux stoechiométrique et
      par le fait qu'on règle le débit de carburant fourni par le deuxième circuit de carburant (43) à une valeur comprise entre 40 % et 50 % du débit total Wf de carburant fourni par ledit deuxième circuit de carburant (43) et la tête pilote (26).
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on alimente le premier circuit de carburant (42) à partir de 20 % de la poussée nominale F00 au sol.
    EP95402625A 1994-11-23 1995-11-22 Système d'injection d'une chambre de combustion à deux têtes Expired - Lifetime EP0718559B1 (fr)

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    FR9414013A FR2727192B1 (fr) 1994-11-23 1994-11-23 Systeme d'injection d'une chambre de combustion a deux tetes
    FR9414013 1994-11-23

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0718559A1 EP0718559A1 (fr) 1996-06-26
    EP0718559B1 true EP0718559B1 (fr) 2000-01-05

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    ID=9469056

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    EP95402625A Expired - Lifetime EP0718559B1 (fr) 1994-11-23 1995-11-22 Système d'injection d'une chambre de combustion à deux têtes

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    US (1) US5634328A (fr)
    EP (1) EP0718559B1 (fr)
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