Brevet FR2009294A1 — publié le 19700130

La présente invention concerne d'une façon générale un appareil pour assurer efficacement la combustion du carburant dans la chambre de combustion d'un turboréacteur en utilisant une admission d'air tourbillonnaire pour établir des écoulements 5 d'air séparés et pour commander la combustion dans ces courants séparés. Plus particulièrement, l'invention concerne une cham-^bce-de combustion annulaire avec une rangée circulaire de générateurs d'admission d'air tourbillonnaire à 11 extrémitér.fermée de la 0 chambre. Le carburant est introduit dans un certain nombre de tourbillons mais non dans tous, et une quantité limitée d'air est introduite pour commencer la combustion dans tous les tourbillons. Le reste de l'air nécessaire pour la combustion est introduit par le« perforations formées à travers la paroi de la chambre annulaire .5 de combustion. Cette combinaison établit une forme d'écoulement d'air et de combustion comportant une pellicule d'air de refroidissement adjacente aux parois de la chambre annulaire de combustion et une forme imposée de combustion du mélange de carburant et d'air autour du coeur basse pression central développé par les générateurs >0 de tourbillons. Une chambre de combustion, en particulier pour les turboréacteurs ou pour d'autres applications de vols à grande vitesse, est soumise à différentes conditions environnantes et, par suite, doit éviter les différents problèmes associés à ces conditions. 3tj La chambre de combustion est en général positionnée dans un courant de gaz se déplaçant à grande vitesse et elle doit permettre non seulement l'allumage du carburant dans le courant de gaz à grande vitesse, mais aussi la continuation du processus de combustion et la conduction totale du carburant pendant une période relativement 20 eourte de transit dans la chambre. Avec l'utilisation de vitesses de plus en plus grandes de vol des véhicules à réaction et la recherche d'une plus grande puissance par unité de volume de la chambre de combustion, des études importantes ont été faites pour obtenir un fonctionnement y^ économique. Cependant, les caractéristiques de base de l'alimentation en air et de la combustion du carburant deviennent plus compliquées en raison de la nécessité de fournir plus d'air à la chambre de combustion aux grandes vitesses, tout en essayant d'as 69 17074 2 2009294 surer des caractéristiques optimales pour L? allumage, la combustion et le refroidissements Cela néeessite à son. tour, une .commande de 11 arrivéed'air suivant des combinaisons et des formes réglées et des zones de petite vitesse. Une chambre de combustion annulaire 5 telle que décrite ci-après assure de loin un volume de combustion plus important qu'avec une autre combinaison équivalente, mais la commande de l'allumage dans l'air et de la combustion en général est plus difficile, parce qu'il existe moins de superficie pour 1''allumage, de l'air et bien plus d'interférence sur les formes 10 d'écoulement séparé de l'air et les processus de combustion» Pour résoudre certains de ces problèmes associés à l'allumage dans l'air et à la combustion commandée pour obtenir les meilleures conditions de mélange, de combustion et de commande de la combustion, des structures antérieures comportent une chambre de 15 combustion annulaire avec une rangée circulaire de générateurs de tourbillons d'air, tels que ceux représentés sur la figure 2„ Le carburant est dans ce cas introduit dans tous les tourbillons et il est mélangé à une" quantité limitée d'air pour commencer l'allumage, le reste de l'air nécessaire pour la combustion arrivant 20 à travers les ouvertures ou les perforations de la chambre. Plus particulièrement, la figure 2 représente en coupe line partie d'une chambre annulaire de combustion comportant des générateurs de tourbillons 20 situés à l'extrémité de tête d'une chemise 11, ces générateurs étant équidistants circulairement. Le carburant 25 est envoyé à travers un gicleur 16 monté à travers une ouverture 15 de chaque générateur 20. Le gicleur 16 peut être de n'importe quel type connu assurant une pulvérisation conique du carburant dans la direction axiale à l'intérieur de la chambre de combus.tipn. Dans une chambre de combustion à grande vitesse de l'air dans la-30 quelle le temps de transit est réduit, un mélange rapide du carburant dans l'air doit avoir lieu, en même temps qu'une grande vitesse de combustion près de la tête de la chambre de combustion. L'injection du carburant dans de l'air ayant un mouvement tourbillonnaire provenant des générateurs de tourbillons provoque l'en-35 traînement des particules de carburant du fait du mouvement tourbillonnaire de l'air pour le mélange et la distrubution dans toute la masse d'air tourbillonnaire. L'allumage du carburant est commandé par des dispositifs d'allumage bien connus, tels que des bad original 69 17074 2009294 dispositifs produisant des étincelles, situés en général au voisinage de l'extrémité fermée de" la chambre. Cependant, après une étude serrée, il a été constaté qu'entre les cuvettes de tourbillons et la distance eh dehors des zones d'influence de ces cuvettes, le 5 courant d'air est foreé dans la direction aval. Cette partie de 1*écoulement indiquée par la lettre B sur la figure 4 contient un pourcentage élevé de carburant brut qui n'a pas été convenablement mélangé avec les gaz recyclés» En conséquence, une partie du carburant échappe de la chambre de combustion sans avoir brûlé. Il en 1.0 résulte un mauvais rendement de combustion, orne courbe de températures irrégulière, des températures élevées du métal du dôme et des facteurs élevés de. températures de pointe. Du fait des défauts notés ci-dessus, la chambre de combustion du type antérieur ne permet pas la combustion du c arburant 1_5 arrivant dans la chambre de combustion avec un rendement maximal. La présente invention supprime certaines des insuffisances antérieures et permet un mélange approprié de l'air et du carburant pour commander les-caractéristiques et les formes d'écoulement de l'air établies dans la chambre de combustion pour un fonctionnement 20 efficace. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré, l'invention concerne une rangée circulaire de générateurs d'admission d'air tourbillonnaire dans une chambre de combustion annulaire. Pour assurer le mélange maximal de l'air et du carbu-25 rant et pour régler la forme d'écoulement de l'air dans le brûleur, le carburant est introduit seulement dans une partie du total des tourbillons. Les générateurs de tourbillons ne comportant pas un gicleur de carburant agissent principalement comme dispositifs de commande et de mélange pour régler la forme d'écoulement 30 de l'air dans la chambre de combustion pour assurer le mélange maximal de l'air et du carburant» La présente invention a par suite pour objet une chambre de combustion comportant un certain nombre de générateurs de tourbillons d'air dams une chambre de combustion annulaire per-25 mettant d'une façon supérieure un mélange de combustion et une commande de la combustion* L'invention a aussi pour objet une combinaison de formes commandées d'écoulement de l'air et du processus de combustion dans la chambre de combustion» D'une façon générale, un appareil selon l'invention 69 17074 4 2009294 comporte une chemise ou paroi perforée de chambre de combustion à tête fermée et à extrémité d'échappement ouverte comportant un certain nombre de générateurs de tourbillore d1air, constituant un passage d'admission d'air caractérisé par un injecteur de carburant 5 dans un certain nombre des générateurs de tourbillons, mais non dans tous, pour pulvériser le carburant dans la chambre, ces générateurs de tourbillons provoquant,des mouvements tourbillormaires de l'air pour un mélange étroit du carburant pulvérisé et de l'air entrant dans la chambre de combustion» 10 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faiteen se référant aux dessins annexés, sur lesquels ; La figure 1 est une coupe schématique-d'une chambre 15 de combustion annulaire avec un générateur de tourbillons selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 est une coupe transversale d'une partie d'une chambre de combustion suivant une technique antérieure, La figure 3 représente schématiquement une partie 20 de la série circulaire de générateurs de tourbillons de la figure 1, La figure 4 est. une coupe schématique de deux générateurs de tourbillons suivant la technique antérieure, et La figure 5 est une coupe schématique semblable à celle de la figure 4 montrant des générateurs de tourbillons 25 d'air suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente une chambre de combustion annulaire 10 qui comprend une paroi ou chemise perforée annulaire 11 concentrique à l'intérieur d'une enveloppe annulaire 12„ La chemise annulaire 11 comporte une extrémité de tête fermée 13 et 20 une extrémité ouverte d'échappement 14, et elle est placée pour que le courant d'air traversant l'enveloppe 12 circule de l'extrémité de tête 13 de la chemise 11 vers l'extrémité d'échappement 14. L'extrémité de tête 13 comporte une- série ou rangée circulaire de dispositifs générateurs de tourbillons 20 dont certains com-35 portent des ouvertures 15 pour le passage d*injecteurs de carburant 16 à travers lesquels le carburant.est envoyé dans la chambre» Un passage 17 reçoit l'air d'un compresseur (non .représenté) et cet air .pénètre à travers la .chemise perforée pour être mélangé avec .le carburant.., 69 17074 5 2009294 Le générateur de tourbillons 20 comprend un corps en cuvette 21. D'une façon générale, les générateurs de tourbillons sont connus et peuvent avoir différentes -formes, le corps 21 pouvant être conique, tronconique, sphérlque ou d'une autre forme. 5 Des ailettes planes, courbes ou en godets peuyent dépasser de la paroi de la cuvette-. La caractéristique importante du générateur de tourbillons concerne davantage son emplacement et son utilisation plutôt que sa structure particulière» La figure 3 représente plusieurs générateurs de tour-10 billons 20 à l'extrémité de tête de la chemise 11 et également distribués circulairement4- Des gicleurs ou injecteurs de carburant 16 sont placés alternativement dans certains des générateurs 20, L'in-jecteur de carburant 16 peut être de différents types connus projetant une pulvérisation conique de carburant dans la direction 15 axiale de la chambre de combustion* Ces injecteurs sont représentés distribués dans un générateur sur deux, les générateurs de tourbillons 20 ne comportant pas d'injecteur se trouvant entre deux générateurs 20 comportant chacun un injecteur de carburant 16„ Il doit cependant être compris que n'importe quelle combinaison générale 20 d'injecteurs de carburant peut être utilisée conformément à l'invention, du moment que deux générateurs de tourbillons 20 consécutifs circulairement ne comportent pas des injecteurs de carburant 16„ lies caractéristiques de combustion dans la chambre de combustion 10 de la figure 1 dépendent de l'établissement de formes 25 séparées d'écoulement de l'air, ces formes résultant de la combustion du carburant dans l'air, des générateurs de tourbillons et des ouvertures formées dans la chemise 11» Comme il a été indiqué ci-dessus, la chemise 11 comprend plusieurs séries circulaires d'ouvertures 24 à travers la paroi extérieure de la chemise ou paroi de la 20 chambre de combustion et plusieurs séries d'ouvertures 26 à travers la paroi intérieure de la chemise ou paroi de la chambre de combustion. Les ouvertures 24 et 26 comportent des rebords 28 formant une surface d'orientation pour assurer la stabilité de direction de l'air traversant 1 'ouverture-. Les générateurs de tourbillons 20 pro-25 voquent des mouvements tourbillormaires du carburant et de l'air à 1$intérieur de la chambre de combustion, La figure 5 représente graphiquement l'écoulement commandé et les caractéristiques de mélange dans un appareil selon 69 17074 6 2009294 l'invention. Les deux générateurs de tourbillons 20' et le générateur de tourbillons 20" de la figure 5 comportent chacun des ouvertures 30 pour l'arrivée de l'air. Les générateurs de tourbillons 20' sont équipés d'injecteurs de carburant 16 pour la pulvérisation 5 du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion et le générateur de tourbillons 20" ne comporte pas d'injecteur» Du fait du générateur de tourbillons -. 20" y les mouvements tourbillonnaires commandés de l'air indiqués par les flèches assurent un mélange étroit du carburant dispersé par les gicleurs 16 et de l'air péné-10 trant par les ouvertures 30» Les courants d'air émanant des générateurs de tourbillons se frappent les uns les autres en produisant une action de cisaillement importante pour un mélange efficace. Il résulte de ce qui précède que l'invention apporte les caractéristiques optimales pour une chambre de combustion com^-15 portant des générateurs de tourbillons d'air» La combinaison des générateurs de tourbillons pour l'entrée d'air et des générateurs de tourbillons pour l'entrée d'air et de carburant assure une combustion optimale et commandée par des répartitions séparées d'air et de carburant* Il est important de noter que Iss formes tour™ 20 billonaires indiquées par les flèches de la figure 5 sont développées pour la combustion du carburant et que ces -formes tourbillonnaires ne sont pas uniquement des masses passives en rotation. Il est important aussi de noter que cette combinaison permet un allumage complet plus près de l'extrémité de tête de la chambre 25 de combustion» Par suite, quand le temps de transit est tr.èa aourt* il reste un temps plus, important pour la combustion complète. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et lsinvention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre» 69 17074 7 2009294 REVENDICATIONS 1 - Chambre de combustion comportant une enveloppe perforée avec une extrémité de tête fermée et une extrémité d'échappement ouverte avec plusieurs générateurs de tourbillons d'air formant des passages d'entrée de l'air, caractérisée en ce que certains des générateurs de tourbillons» mais non tous les générateurs de tourbillons.» comportent des injecteurs de carburant pour pulvériser le carburant à l'intérieur de la chambre, l'ensemble des générateurs de tourbillons provoquant des mouvements tourbillonaires de l'air pour ion mélange étroit du carburant pulvérisé et de l*air arrivant dans la chambre» 2 - Chambre de combustion selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'ion générateur de tourbillons sur deux. comporte un injecteur de carburant. 3 - Chambre de combustion selon la revendication 2 caractérisé en ce que les générateurs de tourbillons sont situés à l'extrémité fermée de la paroi de la chambre de combustion»