WO2026093694A1 - Dispositif d'injection de dihydrogène pour une chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

Abstract

Dispositif (2) d'injection de dihydrogène pour une chambre de combustion (4) de turbomachine (1), ce dispositif (2) comportant un axe principal (Y) et comportant : - un canal interne (10) de circulation de fluide étant centré sur l'axe principal (Y), - un canal annulaire externe (12) de circulation de fluide étant centré sur l'axe principal (Y) et s'étendant autour du canal interne (10), - une vrille interne (14) logée dans le canal interne (10), et - une vrille annulaire externe (16) logée dans le canal externe (12). - un canal annulaire intermédiaire (18) de circulation de fluide étant centré sur l'axe principal (Y) et s'étendant entre les canaux interne et externe (10,12).

Description

DESCRIPTION

TITRE : TURBOMACHINE POUR UN AERONEF

La présente invention concerne les turbomachines dont la chambre de combustion est alimentée par des injections séparées de dihydrogène et d’air.

Arrière-plan technique

L’arrière-plan technique comprend notamment les documents US-A-1- 2010/212322, US-A1 -2024/288168, US-A1 -163627, et US-A1 -2024/044293. Le secteur aéronautique fait 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 de gaz carbonique (CO2) et les polluants carbonés tels que du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés ou encore des particules fines et fumées.

Il est connu un principe de brûleurs à micro-mélange d’air et de dihydrogène. Cependant, de tels brûleurs ne garantissent pas la tenue thermique d’une paroi percée ou l’absence de retour de flamme dans le dispositif d’injection de dihydrogène. Ces brûleurs possèdent également un système de géométrie complexe. De tels brûleurs présentent un coût de réalisation important, une perte de charge élevée et ces brûleurs sont spécifiques à une architecture de chambre de combustion donnée.

En effet, la combustion de dihydrogène engendre différentes problématiques. Ainsi, des risques de remontée de flamme dans le dispositif d’injection peuvent arriver pour des systèmes opérant avec des mélanges de dihydrogène et d’air. Cela peut endommager la chambre de combustion et/ou le dispositif d’injection et poser de sérieux problèmes de sécurité. Enfin, la combustion de dihydrogène génère des charges thermiques élevées vers des parois de cette chambre de combustion, ce qui tend à en réduire la durée de vie. De fortes températures de gaz et d’émissions d’oxydes d’azote sont produites. Ces températures de gaz et d’émissions d’oxydes d’azote sont supérieures à celles produites par des flammes de kérosène, à richesse équivalente. Cela est, d’ailleurs, difficilement compatible avec les normes actuelles.

La Demanderesse a proposé une solution à ce problème dans le document FR-A1 -3 127 987. Elle a ainsi proposé un dispositif d’injection de dihydrogène destiné à être monté sur un fond annulaire d’une chambre annulaire de combustion d’une turbomachine comprenant un canal interne de circulation de dihydrogène et un canal annulaire externe de circulation d’un mélange comprenant au moins de l’air. Le canal interne et le canal annulaire externe sont coaxiaux, une vrille interne étant logée dans le canal interne et une vrille externe étant logée dans le canal annulaire externe. Une extrémité aval du canal interne est agencée en amont, à une distance prédéterminée, d’une extrémité aval du canal annulaire externe.

Ce dispositif permet d’optimiser le mélange entre le dihydrogène et l’air. Il permet aussi d’élargir le domaine de fonctionnement où la flamme est détachée.

La topologie de flamme détachée permet de limiter les contraintes thermiques sur l’injecteur, et donc d’augmenter sa durée de vie.

Cependant, des pertes de charges importantes (~10 à 15% de la pression génératrice) sont nécessaires pour éviter la remontée de flamme, permettre un mélange efficace et fonctionner dans une plage de richesse émettant peu de NOx (oxydes d’azote). Ce niveau de perte de charge est largement supérieur à celui usuellement utilisé dans les moteurs aéronautiques (~3- 6%) et conduit à une augmentation de leur consommation spécifique. Ces pertes représentent donc un point d’amélioration majeur pour le développement de dispositifs d’injection H2/Air pour la propulsion aéronautique.

Ces dispositifs d’injection utilisent une injection tardive de combustible pour éviter tout risque de retour de flamme, et une grande quantité d’air injectée afin de créer un mélange Air-Combustible rapide et brûler en conditions pauvres.

Le H2 est injecté au travers du canal interne et mis en rotation par la vrille interne. L’air est injecté par le canal externe et mis en rotation par la vrille externe. Cette rotation des deux écoulements créé une zone de recirculation centrale (IRZ) ramenant des gaz chauds au centre de l’injecteur, et créant un blocage aérodynamique dans celui-ci. Ce blocage diminue la section efficace de l’injection de H2 et le dévie radialement vers l’extérieur, ce qui a pour incidence de l’accélérer et de favoriser le mélange avec l’air.

Une des limitations mise en avant lors des essais sur banc haute pression est le fort niveau de vitesse d’air et donc de pertes de charge nécessaire pour obtenir une flamme détachée dû au fait que cette vitesse de l’air entre en compétition avec la vitesse de remontée de la flamme vers les points d’injection de H2, cette flamme se propageant rapidement le long de la ligne stoechiométrique.

Il est donc nécessaire d’accélérer l’écoulement à un niveau permettant de contrer cette vitesse de flamme, ce qui entraine le besoin d’un haut niveau de perte de charge.

Par ailleurs, les flammes stabilisées aérodynamiquement issues de dispositifs d’injection à fort taux de rotation sont susceptibles de déclencher des instabilités de combustion sur certains points de fonctionnement ou sur des régimes transitoires, rendant ainsi ce type de dispositif d’injection difficile à opérer. C’est une problématique présente sur tous les dispositifs d’injection aéronautique, mais exacerbé par l’utilisation d’hydrogène de par sa nature compressible aux points d’injection et sa réactivité très élevée. De plus, à l’heure actuelle, les outils de simulation numérique ne sont pas suffisamment matures pour éviter le risque de ces instabilités lors de la phase de conception dans le cas d’une combustion Air/H2. Il est donc nécessaire de concevoir un dispositif d’injection permettant d’assurer une combustion dans un régime bas NOx et qui ne présente pas d’instabilité de combustion. En ce sens, les essais de combustion Air/H2 menés jusqu’à présent ont montré une activité acoustique bien plus faible, et une meilleure stabilité de flamme lors de fonctionnement avec flamme accrochée au dispositif d’injection.

Enfin, le long de la plage de fonctionnement d’une turbomachine, il est possible d’atteindre une large plage de richesse. Il y a donc un risque de fonctionner avec des mélanges Air-Combustible à stœchiométrie ce qui peut entraîner des remontées de flamme rapide et des fortes émissions de NOx. La présente invention apporte une solution à au moins une partie des problèmes de la technique antérieure, qui est simple, efficace et économique.

Résumé de l'invention

Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif d’injection de dihydrogène pour une chambre de combustion de turbomachine, en particulier d’aéronef, ce dispositif comportant un axe principal et comportant :

- un canal interne de circulation de fluide, le canal interne étant centré sur l’axe principal,

- un canal annulaire externe de circulation de fluide, le canal externe étant centré sur l’axe principal et s’étendant autour du canal interne,

- une vrille interne logée dans le canal interne, et/ou une vrille annulaire externe logée dans le canal externe, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre :

- un canal annulaire intermédiaire de circulation de fluide, le canal intermédiaire étant centré sur l’axe principal et s’étendant entre les canaux interne et externe, le canal intermédiaire étant apte à être alimenté en dihydrogène, et en ce que les canaux interne et externe sont aptes à être alimentés avec un mélange comprenant au moins de l’air.

La présente invention consiste à augmenter significativement la surface de mélange H2/Air en ajoutant une injection d’air centrale, et en injectant le H2 par un film situé entre les deux injections d’air. L’objectif est à la fois d’accélérer le mélange en augmentant la surface d’échange Air/H2 et d’augmenter la section de passage d’air pour diminuer le niveau de pertes de charge à iso-débit d’air donc iso-richesse de fonctionnement.

L’invention propose ainsi un dispositif d’injection fonctionnant en injection directe pauvre (LDI - Lean Direct Injection). Ce fonctionnement implique une injection tardive de H2 pour éviter tout risque de retour de flamme dans le dispositif et un mélange rapide pour une combustion en régime pauvre.

Comme cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose en outre une optimisation géométrique des canaux d’air et de H2, et du séparateur air/H2 pour supprimer les zones de faibles vitesses d’air au niveau du séparateur Air/H2, et de maximiser la vitesse de l’air au niveau de la zone de mélange.

Selon un second aspect, l’invention concerne un dispositif d’injection tel que décrit ci-dessus et comportant en outre un accroche flamme à une extrémité axiale aval du canal intermédiaire (par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux).

L’invention consiste ainsi à obtenir une flamme attachée tout en gardant un mélange Air-Combustible rapide afin de brûler dans un régime de combustion bas NOx. Ce dispositif d’injection est donc conçu pour garder une injection de type LDI tout en présentant une flamme attachée. L’objectif est à la fois d’accélérer le mélange en injectant le dihydrogène directement dans les canaux d’air et d’accrocher la flamme à l’aide d’un accroche flamme. Les problématiques de thermique à la paroi au niveau du point d’accroche de la flamme peuvent être adressées avec un refroidissement par impact de dihydrogène.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne un dispositif d’injection tel que décrit ci-dessus dans lequel le canal intermédiaire est apte à être alimenté en dihydrogène pour injecter du dihydrogène à une extrémité axiale aval du canal intermédiaire. Le dispositif d’injection comprend en outre des trous d’injection de dihydrogène dans le canal externe, en amont de cette extrémité axiale aval. L’invention consiste à augmenter significativement la surface de mélange H2/Air en injectant une partie du dihydrogène en amont de la sortie de l’injecteur pour permettre au mélange de s’établir. Ainsi, une partie de l’H2 est injectée à l’aide d’injection de type prémélangée, et le reste est injectée avec une injection de type LDI. La richesse du prémélange H2/Air présent dans la veine d’air externe est de plus située sous les limites de flammabilité, pour éviter tout risque de remontée de flamme.

De manière générale, une vrille permet de mettre en rotation un flux. Une vrille peut comporter une pièce hélicoïdale avec un pas d'hélice adapté. Ce pas d'hélice est configuré pour définir un positionnement de la flamme à la sortie du dispositif d'injection 2, pour minimiser les émissions polluantes et définir une thermique du dispositif d'injection. Cette pièce hélicoïdale met en rotation l’écoulement de fluide avec un taux de rotation caractérisé par un nombre sans dimension S.

Le dispositif 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 :

- le dispositif comprend une paroi annulaire interne qui sépare le canal interne du canal intermédiaire, et qui comprend un bord annulaire aval qui forme un séparateur annulaire interne ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire intermédiaire qui sépare le canal intermédiaire du canal externe, et qui comprend un bord annulaire aval qui forme un séparateur annulaire externe ;

- le séparateur externe est situé plus en aval que le séparateur interne par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux ;

- la paroi intermédiaire a une épaisseur radiale qui diminue d’amont en aval par rapport au sens de circulation du fluide dans le canal externe ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire externe qui délimite extérieurement le canal externe, et qui comprend un bord annulaire aval qui est libre ; - le bord libre de la paroi externe est situé plus en aval que le séparateur externe par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux ;

- le rapport eint/Dint est compris entre 0,02 et 0,5, et/ou le rapport eext/Dext est compris entre 0,02 et 0,5, et/ou le rapport Dext/Dint est compris entre 1 ,25 et 6, et/ou le rapport hnt/Dint est compris entre 0,25 et 3, et/ou le rapport lext/Dext est compris entre 0,25 et 3, et/ou le rapport Rint/Dint est compris entre 0,05 et 0,5, et/ou le rapport Rext/Dext est compris entre 0,05 et 0,5, avec : eint l’épaisseur radiale de la paroi interne, eext l’épaisseur radiale de la paroi externe, Dint le diamètre intérieur du canal interne, Dext le diamètre intérieur du canal externe, lint la longueur de la paroi interne en sortie de la vrille interne, lext la longueur de la paroi intermédiaire en sortie de la vrille interne, Rint la distance axiale entre le bord aval de la paroi interne et le bord aval de la paroi intermédiaire,

Rext la distance axiale entre le bord aval de la paroi intermédiaire et le bord aval de la paroi externe ;

- la paroi interne comprend une surface externe qui converge vers l’aval avec un premier angle d’inclinaison, et la paroi intermédiaire comprend une surface interne qui converge vers l’aval avec un second angle d’inclinaison, le second angle d’inclinaison étant supérieur au premier angle d’inclinaison de façon à ce que le canal intermédiaire ait une section de passage qui diminue d’amont en aval par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux ;

- au moins l’une des parois annulaires est convergente, ou convergente puis divergente, ou divergente ;

- les bords aval des parois interne et intermédiaire sont libres et à distance radiale l’un de l’autre ;

- les bords aval des parois interne et intermédiaire sont reliés ensemble par une paroi annulaire de fond qui comprend des orifices d’injection de fluide ; - la vrille du canal interne impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,4 et 2, et/ou la vrille du canal externe impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,2 et 1 ,2 ;

- le canal intermédiaire est dépourvu de vrille ;

- le canal intermédiaire comprend une vrille annulaire ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire interne qui sépare le canal interne du canal intermédiaire, et qui comprend un bord annulaire aval ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire intermédiaire qui sépare le canal intermédiaire du canal externe, et qui comprend un bord annulaire aval.

- les bords aval des parois interne et intermédiaire forment ensemble ledit accroche flamme ;

- les bords aval des parois interne et intermédiaire sont reliés ensemble par une paroi annulaire de fond ;

- la paroi annulaire de fond comprend au moins une rangée annulaire d’orifices d’injection de fluide, et/ou au moins une fente annulaire d’injection de fluide ;

- la paroi annulaire de fond a une épaisseur ou dimension transversale mesurée dans un plan perpendiculaire à l’axe Y, qui est supérieure à une épaisseur ou dimension transversale maximale du canal intermédiaire mesurée dans un plan perpendiculaire à l’axe Y ;

- le rapport e/Dext est compris entre 0,04 et 0,5, et/ou le rapport Dext/Dint est compris entre 1 ,25 et 6, et/ou le rapport hnt/Dint est compris entre 0,25 et 3, et/ou le rapport lext/Dext est compris entre 0,25 et 3, avec : e l’épaisseur ou la dimension transversale de l’accroche flamme 40,

Dint le diamètre intérieur du canal interne 10,

Dext le diamètre intérieur du canal externe 12, lint la longueur de la paroi interne 20 en sortie de la vrille interne 14; lext la longueur de la paroi intermédiaire 26 en sortie de la vrille interne 14 ;

- au moins l’un des bords aval des parois interne et intermédiaire comprend un becquet annulaire en saillie ; - au moins l’un des bords aval des parois interne et intermédiaire comprend un biseau formé par une surface tronconique ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire externe qui délimite extérieurement le canal externe, et qui comprend un bord annulaire aval qui est libre ;

- le bord libre de la paroi externe est situé plus en aval que les bords aval des paris interne et intermédiaire ;

- au moins l’une des parois annulaires est convergente, ou convergente puis divergente, ou divergente ;

- la vrille du canal interne impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,4 et 2, et/ou la vrille du canal externe impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,2 et 1 ,2 ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire interne qui sépare le canal interne du canal intermédiaire, et qui comprend un bord annulaire aval ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire intermédiaire qui sépare le canal intermédiaire du canal externe, et qui comprend un bord annulaire aval.

- le bord aval de la paroi intermédiaire est situé plus en aval que le bord aval de la paroi interne par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux ;

- au moins une partie desdits trous d’injection sont formés dans la paroi intermédiaire ;

- le dispositif comprend une paroi annulaire externe qui délimite extérieurement le canal externe, et qui comprend un bord annulaire aval qui est libre ;

- le bord libre de la paroi externe est situé plus en aval que le bord aval de la paroi intermédiaire par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux ;

- au moins une partie desdits trous d’injection sont formés dans la paroi externe ;

- au moins une partie desdits trous d’injection débouchent à l’intérieur de la vrille externe, ou en aval de la vrille externe ; - le dispositif comprend en outre au moins un obstacle qui s’étend transversalement à l’intérieur du canal intermédiaire, lesdits trous d’injection étant situés en amont de cet obstacle ;

- le rapport eint/Dint est compris entre 0,02 et 0,5, et/ou le rapport eext/Dext est compris entre 0,02 et 0,5, et/ou le rapport Dext/Dint est compris entre 1 ,25 et 6, et/ou le rapport hnt/Dint est compris entre 0,25 et 3, et/ou le rapport lext/Dext est compris entre 0,25 et 3, et/ou le rapport Rint/dint est compris entre 0,05 et 0,5, et/ou le rapport Rext/dext est compris entre 0,05 et 0,5, avec : eint l’épaisseur radiale de la paroi interne, eext l’épaisseur radiale de la paroi externe, Dint le diamètre intérieur du canal interne, Dext le diamètre intérieur du canal externe, lint la longueur de la paroi interne en sortie de la vrille interne, lext la longueur de la paroi intermédiaire en sortie de la vrille interne, Rint la distance axiale entre le bord aval de la paroi interne et le bord aval de la paroi intermédiaire, et

Rext la distance axiale entre le bord aval de la paroi intermédiaire et le bord aval de la paroi externe ;

- la vrille du canal interne impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,4 et 2, et/ou la vrille du canal externe impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,2 et 1 ,2 ;

- le canal intermédiaire est dépourvu de vrille ;

- le canal intermédiaire comprend une vrille annulaire.

Les caractéristiques des différents aspects de l’invention peuvent être combinées les unes avec les autres.

La présente invention concerne également une chambre de combustion pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant des dispositifs tels que décrits ci-dessus.

La présente invention concerne également une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant une chambre de combustion telle que décrite ci- dessus. Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig. 1] la figure 1 montre une turbomachine comprenant un dispositif d’injection de dihydrogène agencé dans un fond annulaire d’une chambre annulaire de combustion selon trois configurations ;

[Fig.2] la figure 2 est une vue très schématique d’un dispositif d’injection selon l’invention ;

[Fig.3] la figure 3 est une autre vue très schématique d’un dispositif d’injection selon l’invention, et montre des paramètres dimensionnels de ce dispositif ;

[Fig.4] la figure 4 est une vue très schématique d’une partie d’un dispositif d’injection selon l’invention, et plus particulièrement d’un canal intermédiaire ou externe ;

[Fig.5] la figure 5 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par la forme des canaux ou ensembles canaux/vrilles d’air ;

[Fig.6] la figure 6 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par l’extrémité du canal intermédiaire d’injection de H2 ;

[Fig.7] la figure 7 représente de manière très schématique d’autres variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par l’extrémité du canal intermédiaire d’injection de H2 ;

[Fig.8] la figure 8 est une vue très schématique d’un autre dispositif d’injection selon l’invention ; [Fig.9] la figure 9 est une vue très schématique d’un dispositif d’injection selon l’invention, et montre des paramètres dimensionnels de ce dispositif ;

[Fig.10] la figure 10 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par la forme des canaux ou ensembles canaux/vrilles d’air ;

[Fig.11] la figure 11 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation d’accroches flammes pour des dispositifs d’injection selon l’invention ;

[Fig.12] la figure 12 est une vue très schématique d’un autre dispositif d’injection selon l’invention ;

[Fig.13] la figure 13 est une vue très schématique d’un dispositif d’injection selon l’invention, et montre des paramètres dimensionnels de ce dispositif ;

[Fig.14] la figure 14 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par la forme des canaux ou ensembles canaux/vrilles d’air ;

[Fig.15] la figure 15 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par l’extrémité du canal intermédiaire d’injection de H2 ;

[Fig.16] la figure 16 représente de manière très schématique d’autres variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention, les dispositifs différents les uns des autres par l’extrémité du canal intermédiaire d’injection de H2 ;

[Fig.17] la figure 17 représente de manière très schématique d’autres variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention ;

[Fig.18] la figure 18 représente de manière très schématique plusieurs variantes de réalisation de dispositifs d’injection selon l’invention ;

[Fig.19] la figure 19 représente de manière très schématique une autre variante de réalisation d’un dispositif d’injection selon l’invention ; [Fig.20] la figure 20 représente de manière très schématique une autre variante de réalisation d’un dispositif d’injection selon l’invention ; et

[Fig.21] la figure 21 représente de manière très schématique d’autres variantes de réalisation d’un dispositif d’injection selon l’invention.

Description détaillée de l'invention

La présente invention concerne un dispositif d’injection de dihydrogène 2 destiné à être monté sur un fond annulaire d’une chambre annulaire de combustion 4 d’une turbomachine.

Ce dispositif d’injection de dihydrogène 2 est employé dans une configuration de combustion pauvre en dihydrogène telle que les températures de flammes et la formation d’oxyde d’azote sont réduites.

On dit que le dispositif d’injection est pauvre, quand il y a du dioxygène en excès par rapport à une combustion se déroulant à la stœchiométrie entre du dihydrogène et de l’air et que le dispositif d’injection est riche quand on a du dihydrogène en excès par rapport à cette combustion à la stœchiométrie. La combustion à la stœchiométrie étant définie comme celle pour laquelle on a le bon nombre d’atomes d’hydrogène et d'oxygène nécessaires pour consommer tout le combustible et qu’il ne reste plus que de l'eau dans les produits de combustion. C’est dans le contexte de combustion pauvre en dihydrogène que se place la présente invention.

Comme illustré en figure 1 , trois implantations du dispositif d’injection de dihydrogène 2 sont possibles en fonction de l’orientation du fond annulaire de la chambre annulaire de combustion 4 :

- soit la chambre de combustion est orientée sensiblement selon un axe longitudinal, avec le fond de chambre situé vers l’avant ou l’amont du moteur appelé chambre directe,

- soit la chambre de combustion est orientée sensiblement selon un axe longitudinal, avec le fond de chambre situé vers l’arrière ou l’aval du moteur appelé chambre à flux inversé comme illustré sur la figure 1 ,

- soit la chambre de combustion est transverse audit axe longitudinal X. Dans tous les cas, le dispositif d’injection de dihydrogène 2 est implanté entre le compresseur et la turbine haute pression, sur le fond annulaire de la chambre annulaire de combustion 4 ou sur une virole externe.

Comme illustré en figure 2, un dispositif d’injection de dihydrogène 2 selon l’invention comporte un axe principal Y et comprend :

- un canal interne 10 de circulation de fluide, le canal interne 10 étant centré sur l’axe principal Y,

- un canal annulaire externe 12 de circulation de fluide, le canal externe 12 étant centré sur l’axe principal Y et s’étendant autour du canal interne 10,

- une vrille interne 14 logée dans le canal interne 10 et/ou une vrille annulaire externe 16 logée dans le canal externe 12, et

- un canal annulaire intermédiaire 18 de circulation de fluide, le canal intermédiaire 18 étant centré sur l’axe principal Y et s’étendant entre les canaux interne et externe 10, 12.

Le canal intermédiaire 18 est apte à être alimenté en dihydrogène (H2) et les canaux interne et externe 10, 12 sont aptes à être alimentés avec un mélange comprenant au moins de l’air (Air).

Avantageusement, la vrille 14 du canal interne 10 impose au fluide un taux de rotation S compris entre 0,4 et 2.

Avantageusement, la vrille 16 du canal externe 12 impose au fluide un taux de rotation S compris entre 0,2 et 1 ,2.

Le canal intermédiaire 18 est dépourvu de vrille dans l’exemple de la figure 2.

Le dispositif 2 comprend une paroi annulaire interne 20 qui sépare le canal interne 10 du canal intermédiaire 18, et qui comprend un bord annulaire aval 22 qui forme un séparateur annulaire interne 24. Ce bord 22 peut être libre comme c’est le cas à la figure 2.

Le dispositif 2 comprend une paroi annulaire intermédiaire 26 qui sépare le canal intermédiaire 18 du canal externe 12, et qui comprend un bord annulaire aval 27 qui forme un séparateur annulaire externe 28. Ce bord 27 peut être libre comme c’est le cas à la figure 2. On voit ainsi dans la figure que les bords 22, 27 libres sont à distance radiale l’un de l’autre.

Le séparateur externe 28 est de préférence situé plus en aval que le séparateur interne 24 par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux (cf. flèches).

Le dispositif 2 comprend une paroi annulaire externe 30 qui délimite extérieurement le canal externe 12, et qui comprend un bord annulaire aval 32 qui est libre.

Ce bord libre 32 de la paroi externe 30 est de préférence situé plus en aval que le séparateur externe 28 par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux.

Les paramètres dimensionnels du dispositif 2 selon l’invention peuvent être optimisés pour limiter tout décollement d’air et toute recirculation néfaste en fonctionnement.

Comme cela est visible à la figure 3, le diamètre extérieur Dext du canal externe 12, et l’épaisseur radiale eext de la paroi intermédiaire 26 diminuent de préférence avec L, c’est-à-dire d’amont en aval le long de l’axe Y.

L’épaisseur radiale de l’extrémité aval de la paroi interne 20 peut être affinée jusqu’à une limite imposée par les moyens de fabrication.

La distance Dext - (Dmid+2.e_ext) peut diminuer en fonction de L. Cette diminution permet d’assurer le non décollement de l’air de la paroi intermédiaire 26.

La longueur totale L du dispositif d’injection 2 est de préférence choisie pour limiter l’effet de centrifugation de l’air du canal externe 12 et les pertes de charge.

La vrille 14 du canal interne 10 crée une zone de recirculation interne et un blocage aérodynamique venant accélérer l’écoulement. Cette mise en rotation profite de la centrifugation de l’air pour améliorer le mélange Air/hh La position du séparateur 24 en retrait par rapport au séparateur 28 permet de débuter le premier étage de mélange Air-Combustible en amont du deuxième étage. Ceci afin d’éviter l’apparition d’une ligne à richesse stoechiométrique entre le combustible et l’air du canal externe 12 au niveau du séparateur 28.

Les taux de rotation Sint et Sext des canaux interne et externe 10, 12, sont de préférence définis par l’équation ci-dessous. Ces taux de rotation correspondent à un rapport d’un moment cinétique tangentiel et d’un moment cinétique axial multiplié par le diamètre du canal dans lequel l’écoulement prend place.

[MATH1] avec :

• S le taux de rotation,

• p la masse volumique du fluide,

• Ue la vitesse tangentielle du fluide,

• Ux la vitesse axiale du fluide,

• rmin le rayon minimum du canal, n™ = 0 pour le canal central, et

• Tmax le rayon maximal du canal.

Les rapports eint/Dint et eext/Dext peuvent être compris entre 0,02 et 0,5.

Le rapport Dext/Dint peut être compris entre 1 ,25 et 6.

Les rapports hnt/Dint et lext/Dext peuvent être compris entre 0,25 et 3.

Les rapports Rint/Dint et Rext/Dext peuvent être compris entre 0,05 et 0,5 Avec : eint l’épaisseur radiale de la paroi interne 20, eext l’épaisseur radiale de la paroi externe 30,

Dint le diamètre intérieur du canal interne 10,

Dext le diamètre intérieur du canal externe 12, lint la longueur de la paroi interne 20 en sortie de la vrille interne 14, lext la longueur de la paroi intermédiaire 26 en sortie de la vrille interne 14, Rint la distance axiale entre le bord aval 22 de la paroi interne 20 et le bord aval 27 de la paroi intermédiaire 26,

Rext la distance axiale entre le bord aval 27 de la paroi intermédiaire 26 et le bord aval 32 de la paroi externe 30.

La figure 4 présente un exemple d’affinement de la paroi interne 20 d’une excentricité eo vers une épaisseur e_cc. L’angle 0e représente l’inclinaison de la paroi intermédiaire 26, et en particulier d’une surface annulaire interne de cette paroi intermédiaire, et Pi représente l’inclinaison de la paroi interne 20 et en particulier d’une surface annulaire externe de cette paroi interne 20.

La surface externe de la paroi interne 20 converge vers l’aval avec le premier angle d’inclinaison Pi, et la surface interne de la paroi intermédiaire 26 converge vers l’aval avec le second angle d’inclinaison p_e.

Le second angle d’inclinaison p_e est de préférence supérieur au premier angle d’inclinaison Pi de façon à ce que le canal intermédiaire 18 ait une section de passage qui diminue d’amont en aval par rapport au sens de circulation des fluides.

L’affinement peut être fait du côté du canal interne 10 comme montré ici, ou au contraire du côté du canal externe 12. L’exemple proposé ici constitue le cas où l’angle Pi est élevé et n’est pas propice à créer un décollement de l’air.

Cet angle Pi est défini tel que :

[MATH2] pi = tan-¹ ((eo-ecc)/Lint)

Selon l’orientation et la largeur des vrilles 14, 16, de l’angle Pi et de Lint, l’angle p_e peut varier de 0 à 50°.

La différence pe - pi peut être dans une plage de 1 à 20°, ceci afin d’assurer un resserrement du canal externe permettant de compenser le décollement. La longueur Lint est minimisée afin de limiter l’effet de centrifugation de l’air dans le canal externe 12, tout en étant suffisamment longue pour dissiper les effets de sillages des vrilles, ceci afin d’éviter des faibles vitesses au-dessus du séparateur. Dans un exemple particulier de réalisation de l’invention, les règles de dimensionnement suivantes sont appliquées :

• Lint > 4 mm

• 50° > pe > 0°

• 20° > pe - pi > 1 °

Les variantes illustrées à la figure 5 permettent un double avantage : une limitation des zones de recirculation au-dessus des séparateurs, et une maximisation des vitesses d’air au niveau des zones de mélange pour appauvrir au plus vite le mélange Air/hh

Les variantes de canal externe 12, I, II. a, II. b, III. a, III. b, IV.a, IV. b, V.a, peuvent être mises en œuvre avec un canal interne 10 droit, ou non comme dans les variantes V.b, VI. a, VI. b, VII. a, VII. b.

Une première variante I) peut utiliser une paroi externe 30 convergente/divergente, pour accélérer l’écoulement d’air sur le séparateur externe 28 puis rouvrir l’écoulement afin d’améliorer l’interaction entre injecteurs dans une chambre de combustion. Cette composante divergente de la paroi externe 30 peut également faciliter l’ancrage de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection.

Une autre variante II) peut utiliser des parois 26, 30 divergentes, soit droites selon la sous variante a), soit convexes selon la sous variante b). Cette variante a pour objectif de favoriser l’ancrage de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection afin de maximiser l’ancrage de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection et le blocage aérodynamique accélérant l’écoulement d’air.

Une troisième variante III) peut utiliser une surface interne de la paroi intermédiaire 26 qui est inclinée vers le centre du dispositif d’injection. La sous variante III. b) peut utiliser un ensemble de vrilles de mise en rotation de l’air également inclinée vers le centre du dispositif d’injection pour assurer le non décollement de l’air de la paroi.

Une quatrième variante IV) peut utiliser des parois 26, 30 concaves afin d’éviter le décollement de l’air de la surface interne de la paroi intermédiaire 26, tout en rouvrant l’écoulement en sortie du dispositif d’injection afin de favoriser la pénétration de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection et augmenter le blocage aérodynamique venant accélérer l’écoulement d’air central. La sous variante IV.b) utilise un ensemble canal et vrilles de mise en rotation incliné.

Une cinquième variante V).b) peut utiliser un canal interne 10 convexe afin de favoriser l’enfoncement de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection et augmenter le blocage aérodynamique venant accélérer l’écoulement d’air interne.

Une sixième variante VI) peut utiliser un canal d’air interne divergent, soit droit selon la variante VI. a), soit concave selon la variante VI. b) pour limiter la chute du taux de rotation donné par l’équation [MATH1] dans le canal interne 10.

Une septième variante VII) peut utiliser un canal interne 10 convergent, soit droit selon la variante VII. a) soit convexe selon la variante VII. b), afin d’accélérer l’écoulement d’air du canal 10 avant la zone de mélange Air/FL. Les variantes illustrées à la figure 6. a) permettent également une injection tardive de H2 pour éviter le risque de retour de flamme, tout en permettant un mélange rapide Air/H2 pour un fonctionnement de type LDI (Lean Direct Injection).

Les variantes 1 à 4 de la figure 6. a) peuvent ajouter une inclinaison supplémentaire aux parois 20, 26 constituant le canal 18 pour le H2, et/ou modifier la position des séparateurs interne et externe 24, 28.

Les variantes 5 à 11 de la figure 6. a) proposent plusieurs modes d’injection où les parois 20, 26 du canal 18 pour le H2 sont jointes pour former un séparateur à travers lequel l’injection de H2 peut être dirigé à travers des orifices d’injection 34 pouvant prendre la forme de trous, de fentes ou de losanges.

Les bords aval 22 des parois interne et intermédiaire 20, 26 sont alors reliés ensemble par une paroi annulaire de fond 36 qui comprend des orifices 34 d’injection de fluide. Ces orifices 34 peuvent être répartis sur une ou plusieurs rangées, et situés à une distance par rapport à l’extrémité du séparateur H inj telle que le rapport Hinj/I est compris entre 0 et 0,5, avec I le minimum entre hnt et lext. Les orifices 34 peuvent être dirigés vers le canal interne 10, le canal externe 12 ou parallèlement à l’axe Y directement dans la chambre de combustion, voir figure 6.b).

L’ensemble des variantes 1 à 12 présentées sur la figure 6. a) peuvent être mise en œuvre avec l’ensemble des variantes de canal d’air présentées précédemment.

Des exemples sont proposés à la figure 7. a) qui propose la combinaison des variantes 10 et 11 avec une injection tri-directionnelle de H2.

Les figures 7a.b) et c) présentent les variantes 8 avec séparateur dirigé respectivement vers le canal interne 10 et le canal externe 12, et des injections bidirectionnelles de H2.

La première variante 1 ) de la figure 6. a) peut fonctionner sans retrait axial des séparateurs 24, 28, soit Rint=Rext.

Dans le cadre de cette variante, le taux de rotation, donné par l’équation [MATH1] de l’écoulement d’air interne peut être augmenté et peut être compris entre 0,6 et 2,0.

La seconde variante 2) peut utiliser une extrémité de canal interne 10 inclinée vers l’injection de H2 pour favoriser le mélange Air/H2.

La troisième variante 3) peut utiliser une extrémité de canal externe 12 inclinée vers l’injection de H2 pour les mêmes raisons.

La quatrième variante 4) peut utiliser un retrait axial du séparateur externe 28 supérieur au retrait axial du séparateur interne 24 afin d’amorcer le mélange Air/H2 en amont de l’étage de mélange entre le H2 et l’air du canal interne 10.

La cinquième variante 5) peut utiliser une paroi de fond 36 droite avec une injection dirigée de H2 vers le canal interne ou externe 10, 12, ou les deux, afin de maximiser le cisaillement avec l’air et favoriser le mélange. Ces modes d’injection peuvent être couplés à une injection droite afin de supprimer la zone de recirculation en aval de la paroi de fond 36 et empêcher l’accrochage de la flamme.

La sixième variante 6) peut utiliser une paroi de fond 36 biseautée afin de minimiser la zone de recirculation en aval de la paroi de fond 36. L’injection de H2 peut être dirigée vers le canal interne et/ou externe 10, 12 afin de maximiser le cisaillement avec l’air et favoriser le mélange. Les orifices d’injection peuvent être situés sur le biseau ou en amont.

Dans le cadre de la présente invention, un biseau peut être considéré comme une surface tronconique ou une surface annulaire inclinée, en particulier centrée sur l’axe Y.

Une septième variante 7) peut utiliser une paroi de fond 36 doublement biseautée afin de minimiser la zone de recirculation en aval de la paroi de fond 36 et générer une accélération locale de l’écoulement afin d’empêcher un accrochage de flamme. L’injection dirigée de H2 peut être faite dans l’un des deux canaux d’air ou les deux, afin de maximiser le cisaillement avec l’air et favoriser le mélange. L’injection de H2 peut être située directement sous le biseau ou plus en amont.

La huitième variante 8) peut utiliser une paroi de fond 36 doublement biseautée avec un plateau droit en bout. Le double biseau permet d’accélérer localement l’écoulement d’air comme pour la variante 7), et permet également d’utiliser un mode d’injection vers la chambre. Des injections de H2 dirigées vers les canaux d’air peuvent également être ajoutées (figures 7.b et 7.c).

La neuvième variante 9) peut utiliser une paroi de fond 36 droite avec un biseau. L’injection de H2 peut se faire vers la chambre ou vers les canaux d’air.

La dixième variante 10) peut utiliser une paroi de fond 36 avec un double biseau et plateau droit afin de minimiser la zone de recirculation en aval de la paroi de fond 36. Des orifices d’injection peuvent être mis en place vers un des deux canaux d’air ou les deux et/ou vers la chambre. La onzième variante 11 ) peut utiliser une paroi de fond 36 en pointe, donc avec un double biseau, afin de minimiser la zone de recirculation en aval de la paroi de fond 36. Des orifices d’injection peuvent être mis en place vers un des deux canaux d’air ou les deux.

Enfin, la douzième variante 12) peut utiliser une paroi de fond 36 ondulée pour maximiser la surface de mélange Air/hh

La figure 8 montre une variante dans laquelle le canal intermédiaire 18 comprend une vrille annulaire 38. L’écoulement de H2 est ainsi mis en rotation en amont de l’injection par la vrille 38. Cette mise en rotation peut favoriser le cisaillement avec l’air et/ou le recouvrement du séparateur 28 par effet de centrifugation afin de supprimer sa zone de recirculation induite par le séparateur 28.

La figure 9 illustre une variante de réalisation d’un dispositif d’injection de dihydrogène 2 dans laquelle les éléments déjà décrits dans ce qui précède sont désignés par les mêmes références.

Le dispositif de la figure 9 diffère de celui de la figure 2 notamment par le fait qu’il comprend en outre un accroche flamme 40 à l’extrémité aval du canal intermédiaire 18.

Le canal intermédiaire 18 est ainsi conçu pour réaliser la fonction d’accroche flamme.

De préférence, les bords aval des parois interne 20 et intermédiaire 26 sont reliés ensemble par une paroi annulaire de fond 36.

La paroi de fond 36 a de préférence une épaisseur e ou dimension transversale mesurée dans un plan perpendiculaire à l’axe Y, qui est supérieure à une épaisseur e’ ou dimension transversale maximale du canal intermédiaire 18 mesurée dans un plan perpendiculaire à l’axe Y.

La paroi de fond 36, ajoutée en bout du canal intermédiaire 18, permet de créer une zone de recirculation de taille restreinte permettant d’attacher la flamme. Les contraintes thermiques imposées par la présence de la flamme à proximité de la paroi intermédiaire 16 sont gérées par la présence de dihydrogène froid de l’autre côté de cette paroi 16.

Ce refroidissement peut être initialement réalisé par jet impactant dans le dispositif d’injection, mais peut également être réalisé par des multiperforations dans les variantes où le dihydrogène est également injecté à travers la paroi de fond 36 (cf. variantes proposées ci-dessous).

La paroi de fond 36 peut ainsi comprendre au moins une rangée annulaire d’orifices 34 d’injection de fluide, et/ou au moins une fente 35 annulaire d’injection de fluide.

Les paramètres dimensionnels du dispositif 2 selon l’invention peuvent être : Le rapport e/Dext peut être compris entre 0,04 et 0,5.

Le rapport Dext/Dint peut être compris entre 1 ,25 et 6.

Les rapports hnt/Dint et lext/Dext peuvent être compris entre 0,25 et 3.

Avec : e l’épaisseur ou la dimension transversale de l’accroche flamme 40,

Dint le diamètre intérieur du canal interne 10,

Dext le diamètre intérieur du canal externe 12, lint la longueur de la paroi interne 20 en sortie de la vrille interne 14, lext la longueur de la paroi intermédiaire 26 en sortie de la vrille externe 16.

Les variantes illustrées à la figure 10 permettent une maximisation des vitesses d’air au niveau des zones de mélange pour appauvrir au plus vite le mélange Air/hh

Les variantes de canal externe 12 I, II. a, II. b, III. a, III. b peuvent être mises en œuvre avec le canal interne 10 droit.

La première variante I) de la figure 10 peut utiliser une paroi externe 30 convergente/divergente, pour accélérer l’écoulement d’air sur la paroi intermédiaire 26, améliorant ainsi le mélange Air-combustible, puis ouvrir l’écoulement afin d’améliorer l’interaction entre dispositifs d’injection dans une chambre de combustion. Cette composante divergente de la paroi externe peut également faciliter l’ancrage de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection.

La deuxième variante II) peut utiliser une paroi intermédiaire 26 convergente et donc inclinée vers l’axe Y. La sous variante II. b) peut utiliser un ensemble de vrilles de mise en rotation de l’air également inclinée vers l’axe Y du dispositif d’injection pour assurer le non décollement de l’air de la paroi 26.

La troisième variante III) peut utiliser une paroi externe 12 avec une surface annulaire interne bombée de manière convexe, et une paroi intermédiaire 26 avec une surface annulaire externe bombée de manière concave, afin d’éviter le décollement de l’air sur la paroi intermédiaire 26, tout en rouvrant l’écoulement en sortie du dispositif d’injection afin de favoriser la pénétration de la zone de recirculation interne dans le dispositif d’injection et augmenter le blocage aérodynamique venant accélérer l’écoulement d’air central.

La sous variante III. b) utilise un ensemble canal et vrilles de mise en rotation incliné.

La figure 11 montre d’autres variantes de réalisation en particulier de l’accroche flamme 40.

La première variante 1 ) de la figure 11 présente un type d’accroche flamme avec un becquet annulaire 44 en saillie du côté du canal interne 10 et un becquet annulaire 42 du côté du canal externe 12.

La seconde variante 2) peut utiliser un bord droit pour le canal interne 10 et un becquet 42 pour le canal externe 12 afin de conserver la zone de recirculation en aval du plateau permettant ainsi l’accroche de la flamme.

La troisième variante 3) peut utiliser un bord divergent pour le canal interne 10, un becquet 42 pour le canal externe 12 et avec un plateau droit en bout. Cette configuration permet d’accélérer localement l’écoulement d’air et ainsi augmenter le mélange Air-carburant.

Dans ces trois configurations, l’injection de H2 peut se faire vers les canaux d’air mais aussi vers la chambre à travers le plateau de l’accroche flamme. Les injections latérales (en direction des canaux d’air) peuvent être réalisées à l’aide d’une ou plusieurs rangées d’orifices 34 circulaires ou de forme quelconque. L’injection à travers la paroi 36 ou le plateau peut être réalisée à l’aide d’orifices d’injection 34 circulaires (figure 11 .b. a), d’orifices de forme quelconque, ou encore à l’aide d’une fente annulaire 45 (figure 11 .b. b.).

Une autre variante d’injection d’hydrogène est présentée dans la Figure 12. Cette variante est basée sur un biseau convergent et est compatible avec les différentes variantes des canaux d’air et les différentes variantes de points d’injections présentées précédemment.

Cette variante permet l’accroche de la flamme sans becquet en s’appuyant sur le décollement de l’écoulement du canal externe au niveau du biseau créant ainsi une zone de recirculation. Cette recirculation située en aval du séparateur permet d’assurer l’attache de la flamme.

La figure 13 illustre une variante de réalisation d’un dispositif d’injection de dihydrogène 2 dans laquelle les éléments déjà décrits dans ce qui précède sont désignés par les mêmes références.

Le dispositif de la figure 13 diffère de celui de la figure 2 notamment par le fait qu’il comprend en outre des trous 46 d’injection de dihydrogène dans le canal externe 12, qui sont situés en amont de l’extrémité axiale aval du canal intermédiaire 18.

Au moins une partie desdits trous d’injection 46 peuvent être formés dans la paroi intermédiaire 26 (figure 13 par exemple).

Au moins une partie desdits trous d’injection 46 sont formés dans la paroi externe 30 (figure 17. a par exemple).

Par ailleurs, au moins une partie desdits trous d’injection 46 peuvent déboucher à l’intérieur de la vrille externe 16 (figures 18, 19 et 21 par exemple), ou en aval de la vrille externe 16 (figure 13 par exemple).

Avantageusement, le dispositif d’injection 2 comprend en outre au moins un obstacle 48 qui s’étend transversalement à l’intérieur du canal intermédiaire 18. La distance axiale entre un obstacle 48 et la sortie de la vrille 14 est notée B à la figure 13. Les trous d’injection 46 sont de préférence situés en amont de cet obstacle 48.

Le canal intermédiaire 18 est de préférence conçu pour injecter le combustible par deux voies différentes :

- une injection en aval (dans la zone des vrilles d’air, voir la section suivante pour les différentes variantes), qui permet d’obtenir un prémélange en sortie de l’injecteur, et

- une injection à proximité de la sortie de l’injecteur assurant une injection LDI.

Ce type de répartition de combustible permet de maximiser le mélange Air/H2. En effet, en plus de la répartition spatiale du combustible, la division en deux étages d’injection permet de réduire le débit d’injection H2 et donc de la quantité de H2 injectée. Cela augmente le rapport de quantité de mouvement Air/H2 et peut faciliter le mélange. La répartition du combustible développée dans ce dispositif d’injection permet ainsi d’atteindre une combustion prémélangée pauvre présentant des températures très faibles et donc des émissions de NOx faibles.

La répartition de dihydrogène peut être active (deux lignes d’injection indépendantes) ou passive (répartition déterminée par le blocage dans le canal d’injection de H2).

Quel que soit le type de répartition, le ratio entre le débit d’H2 injecté en aval pour le prémélange et celui injecté en LDI peut être limité par la contrainte suivante : la richesse du prémélange hh/Air présent dans la veine d’air externe est située sous les limites d’inflammabilité, pour éviter tout risque de remontée de flamme.

Les variantes proposées reposent sur le même principe que la proposition précitée : une limitation des zones de recirculation au-dessus des séparateurs, et une maximisation des vitesses d’air au niveau des zones de mélanges pour appauvrir au plus vite le mélange Air/H2.

Les variantes du canal externe 12 de la figure 14 sont similaires à celle de la figure 5. Tl

Les commentaires concernant la figure 5 s’appliquent donc aux variantes de la figure 14.

De la même façon, les variantes de réalisation des figures 15 et 16 s’appliquent au cas de la figure 13, et les commentaires concernant la figures 5 et 6 s’appliquent à ces variantes.

L’injection de H2 visant à créer un prémélange Air-Combustible peut se faire par le canal d’air ou par les vrilles d’air. Dans les cas présentés précédemment, l’injection est faite dans la veine externe. Il est également possible de faire cette injection dans la veine interne ou les deux combinés, tant que le prémélange reste de préférence sous la limite d’inflammabilité.

Les différentes variantes associées à une injection par le canal d’air externe sont présentées dans la figure 17.

Les deux premières variantes présentées à la figure 17 concernent un contrôle actif du débit d’H2 avec deux lignes de combustible indépendantes. Dans ce cas, l’injection peut être réalisée à travers la paroi externe 30 (figure 17. a), ou le long et à travers la paroi intermédiaire 26 (figure 17. b). Enfin, la figure 17.c. représente la variante pour laquelle la répartition de H2 est dictée par le blocage situé dans l’unique canal d’injection. Dans ce cas, l’injection est réalisée à travers la paroi intermédiaire 26.

D’autre part, les variantes associées à une injection par la vrille d’air externe sont présentées dans la figure 18. L’injection par les pales des vrilles permet d’éviter une injection proche des parois. Cette méthode permet ainsi une injection perpendiculaire à l’écoulement d’air avec de multiples points d’injection et ainsi d’accélérer le mélange.

Les deux premières versions présentées à la figure 18 concernent un contrôle actif du débit d’hh avec deux lignes de combustible indépendantes. Dans ce cas, l’injection peut être réalisée dans la vrille 16 par la paroi externe 30 comme dans la version figure 18. a, ou par la paroi intermédiaire comme schématisé dans la figure 18. b. Enfin, la figure 18.c. présente la version pour laquelle la répartition de H2 est dictée par le blocage situé dans l’unique canal d’injection. Dans ce cas, l’injection est réalisée à travers la paroi intermédiaire 26.

L H2 injecté en LDI peut être mis en rotation soit par l’ajout de la vrille 38 (figure 19. a) ou à l’aide de l’obstacle 48 (figure 19. b), qui peut avoir une géométrie pouvant mettre en rotation le H2 dans l’injection LDI.

La variante de la figure 20 se base sur la combinaison des aspects de l’invention illustrés aux figures 9 et 13, et propose d’injecter une partie du H2 en amont des orifices d’injection 34 décrits précédemment pour créer un prémélange Air/H2 en amont de la zone de combustion.

L’objectif est de réduire la richesse de combustion de la zone LDI, tout en évitant tout risque de remontée de flamme dans les canaux d’air en imposant que la richesse de prémélange soit inférieure à la limite d’inflammabilité.

La répartition de dihydrogène peut être active (deux lignes d’injection indépendantes, figure 21 .b) ou passive (répartition déterminée par le blocage dans le canal d’injection de H2, figures 20, 21. a et 21 .c). Tant que le critère de limite d’inflammabilité du mélange Air/H2 est respecté, le prémélange Air/H2 peut être effectué dans le canal externe 12 et/ou le canal interne 10. Cette injection peut être faite directement dans le canal (figure 20) ou à travers les vrilles 12, 16 (figure 21 ).

L’invention propose ainsi une dispositif perfectionné pour l’injection de dihydrogène dans une chambre de combustion de turbomachine, en particulier d’aéronef. L’invention est basée sur une injection de dihydrogène situé entre deux canaux d’air concentriques équipés de vrilles de mise en rotation de l’air. Les canaux d’air sont avantageusement conçus pour empêcher le décollement de l’écoulement d’air des parois des canaux, minimiser les zones de recirculations et maximiser le mélange Air/H2.

Le dispositif selon l’invention permet notamment :

- d’obtenir des flammes stabilisées aérodynamiquement (ou détachée, i.e., sans contact avec l’injecteur) sur une large plage de fonctionnement, - de réaliser une combustion pauvre partiellement prémélangée bas NOx,

- d’éviter tout risque de remontée de flamme dans le dispositif d’injection (flashback),

- etc.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (2) d’injection de dihydrogène pour une chambre de combustion (4) de turbomachine (1 ), en particulier d’aéronef, ce dispositif (2) comportant un axe principal (Y) et comportant :

- un canal interne (10) de circulation de fluide, le canal interne (10) étant centré sur l’axe principal (Y), le canal interne (10) étant apte à être alimenté avec un mélange comprenant au moins de l’air,

- un canal annulaire externe (12) de circulation de fluide, le canal externe (12) étant centré sur l’axe principal (Y) et s’étendant autour du canal interne (10), le canal externe (12) étant apte à être alimenté avec un mélange comprenant au moins de l’air,

- une vrille interne (14) logée dans le canal interne (10), et/ou une vrille annulaire externe (16) logée dans le canal externe (12), caractérisé en ce que le dispositif (2) comprend en outre :

- un canal annulaire intermédiaire (18) de circulation de fluide, le canal intermédiaire (18) étant centré sur l’axe principal (Y) et s’étendant entre les canaux interne et externe (10, 12), le canal intermédiaire (18) étant apte à être alimenté en dihydrogène,

- une paroi annulaire interne (20) qui sépare le canal interne (10) du canal intermédiaire (18), et qui comprend un bord annulaire aval (22) qui forme un séparateur annulaire (24),

- une paroi annulaire intermédiaire (26) qui sépare le canal intermédiaire (18) du canal externe (12), et qui comprend un bord annulaire aval (27) qui forme un séparateur annulaire externe (28), le séparateur externe (28) étant situé plus en aval que le séparateur interne (24) par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux,

- une paroi annulaire externe (30) qui délimite extérieurement le canal externe (12), et qui comprend un bord annulaire aval (32) qui est libre et qui est situé plus en aval que le séparateur externe (28) par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux, caractérisé en ce que

- le rapport eint/Dint est compris entre 0,02 et 0,5, et/ou

- le rapport eext/Dext est compris entre 0,02 et 0,5, et/ou

- le rapport Dext/Dint est compris entre 1 ,25 et 6, et/ou

- le rapport hnt/Dint est compris entre 0,25 et 3, et/ou

- le rapport lext/Dext est compris entre 0,25 et 3, et/ou

- le rapport Rint/Dint est compris entre 0,05 et 0,5, et/ou

- le rapport Rext/Dext est compris entre 0,05 et 0,5, avec eint l’épaisseur radiale de la paroi interne (20), eext l’épaisseur radiale de la paroi externe (30), Dint le diamètre intérieur du canal interne (10), Dext le diamètre intérieur du canal externe (12), lint la longueur de la paroi interne (20) en sortie de la vrille interne (14), lext la longueur de la paroi intermédiaire (26) en sortie de la vrille interne (14),

Rint la distance axiale entre le bord aval (22) de la paroi interne (20) et le bord aval (27) de la paroi intermédiaire (26),

Rext la distance axiale entre le bord aval (27) de la paroi intermédiaire (26) et le bord aval (32) de la paroi externe (30).

2. Dispositif (2) selon la revendication 1 , dans lequel la paroi intermédiaire (26) a une épaisseur radiale qui diminue d’amont en aval par rapport au sens de circulation du fluide dans le canal externe (12).

3. Dispositif (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la paroi interne (20) comprend une surface externe qui converge vers l’aval avec un premier angle d’inclinaison (Pi), et la paroi intermédiaire (26) comprend une surface interne qui converge vers l’aval avec un second angle d’inclinaison (p_e), le second angle d’inclinaison (p_e) étant supérieur au premier angle d’inclinaison (Pi) de façon à ce que le canal intermédiaire (18) ait une section de passage qui diminue d’amont en aval par rapport au sens de circulation des fluides dans les canaux.

4. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins l’une des parois annulaires est convergente, ou convergente puis divergente, ou divergente.

5. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les bords aval (22, 27) des parois interne (20) et intermédiaire (26) sont libres et à distance radiale l’un de l’autre.

6. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel les bords aval (22, 27) des parois interne (20) et intermédiaire (26) sont reliés ensemble par une paroi annulaire de fond (36) qui comprend des orifices (34) d’injection de fluide.

7. Dispositif (2) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la vrille (14) du canal interne (10) impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,4 et 2, et/ou la vrille (16) du canal externe (12) impose au fluide un taux de rotation compris entre 0,2 et 1 ,2.

8. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le canal intermédiaire (18) est dépourvu de vrille.

9. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le canal intermédiaire (18) comprend une vrille annulaire.

10. Chambre de combustion pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant des dispositifs (2) selon l’une des revendications précédentes.

11 . Turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant une chambre de combustion selon la revendication précédente.