Brevet FR2008695A1 — publié le 19700123

L'invention concerne des dispositifs de combustion du genre de ceux dans lesauels une zone de stabilisation des flammes est formée dans un courant de gaz en mouvement rapide par la -séparation du flux d'avec la surface d'un corps disposé a l'intérieur 5 de ce courant- Dans les moteurs à réaction d'aviation à turbine à gaz, une puissance complémentaire peut être développée par la combustion d'une quantité additionnelle.de carburant dans un étage de postcombustion. Pendant longtemps, on a fait appel, dans les instal-10 lations de ce genre, à des déflecteurs fixes pour créer dans les remous qu'ils provoquent des zones de turbulence stable (ou de recirculation) où les flammes peuvent se maintenir. Ces déflecteurs offrent une résistance indésirable au flux, notamment lorsque la post-combustion n'est pas en service. Sous l'une de 15 ses formes les plus courantes, le déflecteur fixe est constitué par une gouttière profilée en V dont le sommet est dirigé vers l'amont du flux, la simplicité extrême de cette disposition tendant a l'emporter sur d'autres considérations qui lui seraient défavorables. En disposant les côtés de ce déflecteur selon un 20 angle intérieur de l'ordre de 45°. eu un peu moins en fonction de la vitesse du flux, on peut obtenir un compromis raisonnable entre la résistance a l'écoulement et l'établissement d'une zone de recirculation suffisante.' Néanmoins, la résistance des déflecteurs peut prendre une 25 importance prépondérante lorsqu'on fixe la mesure totale de post-combustion qui peut être utilisée et il serait souhaitable de disposer d'un système de post—combustion dont- la perte de pression soit moins importante lorsqu'il est hors service, pourvu eue ce ne soit pas au prix de difficultés trop arandes résultant 3C d'autres considérations. L'invention concerne des moyens visant à atteindre ce but. Un dispositif de combustion selon 1'invention, destiné à être installé dans des conduites parcourues par un gaz ou similaires, comprend au moins un organe acencé de façon à se -réformer 35 avec les variations de température et supporté de telle sorte qu'une élévation de température dans les limites d'une aamrre pré-de terri née erne cet crcane de faccn à délimiter au moins en partie une zone de combustion stable dans la conduite» De préférence, l'organe est un élément composite formé ce 40 matériaux à coefficients de dilatation différents. 1 BAD original 69 15944 2 '2008695 Une forme d'exécution de l'invention va maintenant être décrite à titre d'exemple, en référence au dessin schématiaue annexé qui représente, en coupe longitudinale, un stabilisateur de flammes conforme à l'invention. . . ■ - Le stabilisateur comporte un nez 1 constitué r-ar un organe en canal profilé dans l'ensemble en V, les extrémités 2 de ses r-ranches latérales étant coudées vers l'intérieur de façon à sJétendre parallèlement l'une à l'autre. Des bilames 3,4 sont rivées aux extrémités 2 et s'étendent parallèlement entre elles en 1- porte-à-faux, constituant des prolongements desdites extrémités (c'est-à-dire nu'elles s'éloignent du sommet du nez). Chacune des bilames 3,4 est constituée par une feuille d'un métal ayant un coefficient de dilatation linéaire relativement élevé et par une feuille d'un métal dont le coefficient de dilatation, est net-1" tement inférieur, ces deux feuilles étant fixées l'une à l'autre au niveau de leurs faces accolées par un nrocédé connu approprié. A titre de métal convenant pour la première feuille, on peut citer ur. alliacé s base de nickel et, en ce aui concerne la feuille frac taire, le niobium ou le molybdène (un alliage de nickel typiaue a un coefficient, rie dilatation linéaire de l'ordre de 1-1 . 1C~° par °C et le coefficient du niobium est 7,5 . 1C~^ par °C environ". Les feuilles des ceux bilames à coefficient de dilatation élevé se font face et les feuilles réfractaires constituent les surfaces extérieures du stabilisateur. Dans certains 15 cas, il peut être opportun d'appliquer sur les feuilles un revêtement résistant à l'oxydation. Le stabilisateur est destiné à être monté dans une conduite de gaz, le sommet du nez 1 étant diriaé vers le flux d'arrivée, flux dont la direction est indiquée par les flèches B cans le 30 dessin. Un tube 5 est dispose à l'intérieur du nez 1, dans le dièdre eu somrft dont il longe 1'arête. Dans la surface du tube est forcée un*5 rann?o c.p trous ( l'un d'eux étant visible en 6) ~ui s'étend en direction axiale le long du tube, les trous étant Générale; dirigé? vers l'Intervalle ménacré entre les piacues 3.4. JPi0 y^of 1 'un ~ 0>~ a ? ^2 ^ l.cno extr^'^ity r c r.e 1 1 c rr^r. •=*- pn 1, vei? j nacre du tube 5 (on peut envisaner des disrositiens différentes des trous cans lr tufcp S et dans le nw 1 — celles nui précèdent étant sim~le— 4c, ment données =s titre de rnede rie réalisation). BAD ORIGINAL 69 15944 3 2008695 Le tube 5 e?t relié à une alimentation en carburant (non représentée), le carburant nui parcourt le tube se déchargeant h travers les trous 6 formés dans la surface de celui-ci, comme l'indiaue la flèche C. De l'air, en provenance du courant prir.ci-5 pal aui parcourt-- la conduite dans laauelle le stabilisateur est monté, va traverser les trous 7, comme le montre la flèche A, pour se mélanaer avec le carburant; le mélanae aui en résulte, enflammé par des moyens connus, va brûler essentiellement à l'intérieur des limites du stabilisapeur» La chaleur de combustible 10 élève la température des bilames 3,4 et la dilatation différentielle des feuilles constituantes qui en résulte provoaue une flexion des susdites bilames à partir de leurs points respectifs de fixation, ces bilames s'écartant l'une de l'autre pour prendre une ferme comparable à celle qui est indiquée en traits disccr.ti-15 nus dans le dessin. Dans son ensemble, le stabilisateur ce f 1 animes se transforme donc en une Gouttière en V dont les branches délimitent un anale de 3C° environ. La déviation des plaque? va modifier le flux le lcna eu stabilisateur, flux aui était jusqu'alors sensiblement parallèle. 20 Ce flux est alcr? amené à se dissocier et à fermer une zone turbulente entre les nlacues 3,4. Le carburant introduit dans le courant principal, par exemple par des injecteurs S disposé? .--r amont du stabilisateur, est er.f 1 -m^é e4- va '--rûler cette --re dans laquelle la recircula tien établie va favoriser le mél--nae 25 entre les produits brûlés chauds et le mélanae frais, rcur maintenir une combustion stable. La chaleur produite par le processus De même, le déoaoement de chaleur résultant de la combustion du carburant provenant des injecteurs 6 pourra provoquer, 35 dans certaines circonstances, une déviation des r ~m~r 3,-t sans ou* il soit nécessaire de faire appel a une combustiT pilcte (c'est-à-dire la combustion du carburant provenant du tufce 5). Cependant, en général, à moins que l'allumage du carburant issu des injecteurs 8 puisse être soigneusement contrôlé, il 40 risrue de se produire des conditions instables de combustion '1 S SftÛ OHlOî'.'f 69 15944 2008695 jusqu'au moment où la déviation des bilames aura atteint approximativement le degré voulu. Eu égard à la constante de temps relativement longue que présentent en général les structures bimétal-- liques, il y a de très fortes chances pour que les bilames n'at-5 teignent pas la forme voulue (ou tout au moins de façon aléatoire!' De telles incertitudes seraient évidemment inacceptables et le chauffage à l'état stable que l'on peut, obtenir en utilisant un brûleur pilote est doijc au moins désirable si l'on veut obtenir un fonctionnement fiable. 10 Dans un stabilisateur du genre ainsi décrit, présentant une largeur totale de 6,35 mm (c'est-à-dire tel qu'il se présente au flux d'entrée) avec des bilames de 1,27 mm d'épaisseur et de 71,12 mm de longueur (dans la direction du flux), les extrémités libres de chaque bilame peuvent être infléchies vers l'extérieur 15 de 9,52 mm par une élévation de température de 400°C, ce qui donne une nouvelle largeur totale de 25,4 mm. 'Ainsi, la résistance (et la perte de pression qui en résulte) lorsque le stabilisateur n'est pas en service est de l'ordre du quart de celle d'une gouttière en V fixe donnant des résultats fonctionnels comparables. 20 S'agissant des matériaux dont il a été question, la flexion des bilames sera en général proportionnelle au carré de leur longueur divisé par leur épaisseur. En réduisant l'épaisseur, on peut diminuer la longueur pour une flexion donnée (ce qui réduit le poids), mais il convient de prendre en considération les effets 25 des charges de flexion par les gaz, les risques de déformation permanente et les limitations relatives aux tensions, ainsi que les problèmes de fabrication. Un tel stabilisateur peut notamment être installé dans une conduite de post—combustion (entre l'échappement d'une turbine à 30 gaz et une tuyère de propulsion) ou dans une conduite de by-pass d'un turbo-moteur à hélice, ou dans un"*autre système similaire qui nécessite en général un surcroît de poussée pendant des périodes relativement brèves. Dans de tels cas, et notamment dans un dispositif à post-35 combustion, il est prévisible que le.stabilisateur sera soumis à des températures considérables alors qu'il n'est pas lui-même en service. Afin d'être sûr que les bilames s'étendront^sensiblement dans ..la direction du flux- de gaz (comme indiqué en trait continu 40 sur le dessin) dans les circonstances où un moteur associé l I i 69 15944 5 2008695 fonctionne, mais sans post-combustion, les bilames seront initialement montées, à froid, de façon à présenter'une certaine flexion l'une vers l'autre et la dilatation différentielle résultant de l'élévation de température dont il vient d'être ques-5 tion. les amènera alors à se redresser en s'écartant l'une de l'autre. Il peut être utile de prévoir des pièces d'écartement ou autres moyens pour empêcher une flexion des bilames-au-delà d'un degré déterminé,:' 10 Pour ces mêmes raisons de tensions, la liaison des feuilles qui constituent les bilames sera de préférence réalisée de façon à exclure les efforts de tension thermique lorsque les bilames ne sont pas déformées (c'est-à-dire à la température du courant de gaz à laquelle le stabilisateur sera soumis à l'état dfe non fonction-15 nement). La liaison des feuilles peut être exécutée par exemple par une opération de laminage ou par explosion dans le cadre normal d'un atelier et les bilames peuvent être ensuite laminées à la température à laquelle on désire que les tensions internes soient supprimées. Il n'est pas facile de procéder à un tel lami-20 nage lorsqu'on fait appel au rivetage pour assembler les feuilles et un tel mode de fabrication est donc moins souhaitable. D'autre part, ce mode de fabrication est en général moins satisfaisant, par suite des effets de concentration des tensions et du coefficient de dilatation des rivets. 25 La forme géométrique d'un stabilisateur bimétallique tel que décrit ci-dessus s'adapte mal à une forme incurvée (par exemple dans un dispositif de combustion annulaire), mais on peut alors utiliser une série de segments stabilisateurs recti-lignes pour obtenir une bonne approximation. Dans d'autres cas, 30 on pourra disposer des stabilisateurs rectilignes en formations parallèles, radiales ou en grille, pouî: couvrir comme il convient la section de la conduite. Dans le cas d'un système de post-combustion utilisé avec un courant mixte provenant d'un moteur en dérivation, il existe or-35 dinairement un gradient de température important entre l'âme et la périphérie du flux qui traverse la conduite de post-combustion, car il est rare que le mélange entre les courants chaud et froid approche de la perfection. Afin de pouvoir utiliser les mêmes matériaux bimétalliques 40 dans tout le dispositif, il pourra être nécessaire de faire varier 69 15944 6 2008695 quelque peu la forme géométrique du stabilisateur en différentes parties de la conduite, notamment en prévoyant éventuellement des arrêts au niveau des extrémités libres des plaques situées dans des régions plus froides, afin d'éviter que les zones pilotes ne 5 se ferment plus qu'il n'est désirable. Il est du reste bien entendu que le mode de réalisation de l'invention qui a été décrit ci-dessus, en référence au > dessin annexé, a été donné à -Çitre purement indicatif et nullement limitatif et que de nombreuses modifications peuvent être apportées 10 sans que l'on s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. C?©;- ■ t, 15944 7 2008695 REVENDICATIONS 1. Dispositif de combustion à stabilisation de. flamme, destiné à être installé dans des conduites ou similaires parcourues par un gaz, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un organe susceptible de se déformer sous l'effet d'une variation de 5 température et supporté de telle manière qu'une élévation de température dans les limites d'une gamme prédéterminée déforment cet organe de façon à définir au moins en partie une zone de com- ï ' ■ bustion stable dans la conduite. 2. Dispositif de combustion selon la revendication 1, carac-10 térisé par le fait qu'il comprend deux organes susceptibles de se déformer sous l'effet de variations de température et supportés de telle manière qu'une élévation de température dans les limites d'une gamme prédéterminée déforme ces organes de façon à définir une zone de combustion stable entre eux. 15 3. Dispositif de combustion selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'organe ou chaque organe déformable est composé de matériaux métalliques qui présentent des coefficients de dilatation linéaire différents et qui sont réunis entre eux. 20 4. Dispositif de combustion selon la revendication.2, ca ractérisé par le fait qu'il comprend deux bilames montées en porte-à-faux de telle manière qu'une élévation de température provoque une flexion des extrémités libres de ces bilames dans le sens de leur écartement mutuel. 25 5. Dispositif de combustion selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que l'organe ou chaque organe déformable est constitué de nickel et d'un métal réfractaire ou d'alliages de ceux-ci. 6. Dispositif de combustion selon la revendication 5, ca-30 ractérisé par le fait que le métal réfractaire est le niobium ou le molybdène. 7. Dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que les organes dé-formables sont montés sur un autre organe et délimitent avec 35 celui-ci un espace dont la largeur totale varie avec les changements de température. 8. Dispositif de combustion selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un organe en canal et deux bilames fixées respectivement aux extrémités de l'organe en canal ÇOPY V,.» 69 15944 8 2008695 par leurs parties terminales et constituant des prolongements de ces extrémités. 9. Dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il y est incorporé des moyens de chauffage. 10. Dispositif de combustion selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de chauffage disposés à l'intérieur du susdit espace. 11. Dispositif de combustion selon les revendications 8 et 10, caractérisé par le fait que des trous sont formés dans l'organe en canal pour la pénétration d'air dans le susdit espace. 12. Dispositif de combustion selon l'une des revendications 9, 10 ou 11, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage comprennent un tube perforé pour l'injection de carburant dans le susdit espace. 13. Système de combustion caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de combustion selon 1'une quelconque des revendications précédentes, monté dans une conduite parcourue par un gaz.