Brevet FR2010612A1 — publié le 19700220

L'invention est relative aux dispositifs de combustion dans lesquels une zone de stabilisation de flamme se trouve formée dans un courant de gaz à grande vitesse par séparation de l'écoulement par rapport à la surface d'un corps disposé dans le cou- Dans les moteurs de propulsion à réaction .à turbine à gaz pour l'aviation, on peut développer un supplément de puissance en faisant brûler du combustible additionnel dans un dispositif de post-combustion. On utilise depuis longtemps, dans de telles ins-10 tallations, des déflecteurs fixes pour produire, dans leur sillage, des zones turbulentes stables (ou de recirculation) où les flamnes se maintiennent d'elles-mêmes. De tels déflecteurs offrent une résistance à l'écoulement indésirable durant tout le temps où la post-combustion n'est pas en fonctionnement. Une des formes 15 les plus courantes pour les déflecteurs fixes consiste en une gouttière en V ayant son sommet dirigé vers l'amont de l'écoulement, la simplicité extrême de la disposition tendant à l'emporter sur les considérations adverses. En réglant les branches à un angle de 45°, ou légèrement moindre suivant la vitesse de l'é-20 coulement, on peut obtenir un compromis optimal entre la résistance et la production d'une zone de recirculation adéquate. Néanmoins, la résistance du déflecteur peut être critique pour la détermination de la quantité totale de post-combustion qui peut être utilisée et il est souhaitable de réaliser un sys-25 tème de post-combustion ayant une perte de pression plus basse en condition de non-fonctionnement, sous réserve que les inconvénients provenant d'autres considérations ne soient pas trop graves. L'invention concerne des moyens agencés à cette fin, de même que la demande de brevet France P.V. 162.612 du 9 août 1968 30 et les deux demandes de brevet déposées le même jour et au même nom que les présentes. Un fluide qui s'écoule sur une surface présentant une discontinuité se sépare de la surface et il en résulte un effet de turbulence. Si la discontinuité est constituée par une partie 35 rentrante sur la surface, la turbulence peut, pour des formes convenables de la partie rentrante, être contenue, ou sensiblement contenue, dans la ladite partie rentrante de manière à donner une zone de recirculation stable, l'écoulement recollant à la surface en aval de la partie rentrante. Un exemple d'un tel 40 dispositif est celui appelé "producteur de vortex" qui comprend 5 rant. 69 19207 2 2010612 une partie rentrante, presque circulaire, ménagée dans une surface avec deux régions opposées en forme de pointe ou de corne écartées l'une de l'autre dans la direction de l'écoulement, une zone de fluide tourbillonnant se formant dans la partie rentrante de 5 telle sorte qu'une fraction de sa périphérie définit une frontière pour le fluide s'écoulant le long de la surface, laquelle frontière prend la place d'une paroi limite solide, à la discontinuité. En négligeant le frottement et les effets de couche limite, on voit qu'il n'y a pas de discontinuité de vitesse au 10 point de séparation et que, de ce fait, l'écoulement va recoller en aval de la partie rentrante en pointe, sans qu'il y ait production d'un sillage important. Avec un tel dispositif, les vitesses à la périphérie de la partie rentrante seraient du même ordre que la vitesse d'écoule-15 ment libre, laquelle est trop élevée pour permettre une combustion complète des mélanges air-combustible dans la zone de recirculation. Cependant, en allongeant la partie rentrante de manière qu'elle devienne sensiblement elliptique, les vitesses périphériques sont réduites, ce qui, soit dit en passant, améliore les 20 caractéristiques de brassage. Une autre amélioration peut être obtenue en faisant varier la forme des raccordements entre la partie rentrante et la surface. Comme la surface située en aval de la partie rentrante sera presque certainement exposée aux gaz chauds, il serait avanta-25 geux de prévoir des moyens de refroidissement dans cette région. Un dispositif de combustion selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend un corps présentant une surface aérodynamique et une partie rentrante ménagée dans la surface, la 30 partie rentrante étant agencée pour soutenir un écoulement de recirculation et ayant une forme propre à amener un écoulement de gaz sur la surface à s'en séparer et à se mélanger, au moins en partie, avec l'écoulement de recirculation. De préférence, l'écoulement de recirculation est contenu 35 partiellement dans la partie rentrante dont les dimensions sont prévues pour maintenir la vitesse périphérique de l'écoulement de recirculation à une valeur inférieure à la vitesse de l'écoulement libre du courant de gaz sur la surface» De préférence également, le corps est constitué par une ai-40 lette de section de surface portante symétrique comportant des BAD ORIGINAL 69 19207 3 2010612 parties rentrantes sur ses surfaces opposées dans la région d'épaisseur maximale de l'ailette. Selon une particularité de l'invention, un courant de refroidissement peut être introduit dans l'ailette et déchargé en 5 minces couches sur les surfaces de l'ailette situées en aval des parties rentrantes. Des modes de réalisation de l'invention vont être décrits maintenant à titre d'exemple avec référence aux dessins schématiques annexés. 10 La fig.l, de ces dessins montre une coupe axiale d'une ai lette à surface portante. La fig.2 montre, semblablement à la fig.l, une autre ailette. La fig.3, enfin, montre une variante de l'ailette de la 15 fig.2. La fig.l montre une ailette 1 de section de surface portante symétrique qui est destinée à être montée, par exemple, dans un conduit de brûleur de post-combustion, s'étendant entre l'échappement d'une turbine à gaz et un ajutage de propulsion, le 20 sens de l'écoulement des gaz sur l'ailette étant indiqué par les flèches B. Les surfaces opposées de l'ailette sont évidées dans la région où l'épaisseur de l'ailette est maximale de manière a former des parties rentrantes 2,3 de section partiellement ellip-25 tique, comme montré sur le dessin, les bords des parties rentrantes s'étendant le long de l'ailette, transversalement à la direction d'écoulement des gaz. L'ailette est évidée sous les bords des parties rentrantes, ce qui définit des régions opposées 4,5 en forme de corne ou de pointe, écartées l'une de l'autre sui-30 vant la direction d'écoulement des gaz. L'écoulement sur les surfaces de l'ailette va se séparer desdites surfaces dans la région en pointe, amont, 4 et recoller au voisinage de la région en pointe, aval, 5, le profil de la région suivante de l'ailette étant tel qu'un sillage faible ou nul en résulte. Par suite dè la sépa-35 ration de l'écoulement, une recirculation se produit dans les parties rentrantes et, pour un rapport du grand axe au petit axe de l'ordre de 3 ou plus, la vitesse de l'écoulement de recirculation à la périphérie des parties rentrantes sera inférieure à -celle de l'écoulement libre sur l'ailette. Si un mélange air/com-40 bustible est introduit dans l'écoulement et allumé par des moyens 69 19207 4 2010612 classiques, des zones de stabilisation de la flamme -ç-ont s'établir dans les parties rentrantes et la différence dans les écoulements périphérique et libre va permettre un brassage entre le mélange non brûlé qui arrive et les produits chauds, brûlés, 5 provenant de la zone de recirculation. La fig.2 montre une ailette 6 comportant des parties rentrantes 7,8 sur ses surfaces opposées, parties dans lesquelles les régions en pointe amont ont été supprimées pour donner un type de corps abrupt au point de séparation avec une augmentation 10 consécutive dans la turbulence et, ainsi, un brassage amélioré. Les surfaces intérieures 9,10 des parties rentrantes sont sensiblement plates tandis que les régions en pointe aval de l'ailette précédente sont renplacées par des surfaces inclinées 11,12 sous— tendant un angle de 30° avec les surfaces intérieures 9,10. Pour 15 obtenir le meilleur fonctionnement, le point de stagnation où l'écoulement recolle à la surface de l'ailette devrait se trouver aux angles aval des faces 11,12, ou au voisinage desdits angles. Pour obtenir ce résultat, on donne à l'ailette 6 une épaisseur qui augmente régulièrement depuis le bord d-'attaque jusqu'au 20 ressaut amont des parties rentrantes 7,8. Dans les modes de réalisation précédents, les surfaces des parties rentrantes et les zones des ailettes situées après les-dites parties dans le sens d'écoulement des gaz sont exposées' aux gaz chauds et il peut être souhaitable de prévoir leur refroidis-25 sement. La fig.3 montre une ailette de construction composée ayant un arrière-corps solide 13 et une partie creuse ou nez 14. Le nez a une forme qui permet de définir des parties rentrantes 7,8 comme dans le mode de réalisation décrit en dernier et qui, de la 30 même manière, comportent des surfaces plates 9,10 et des faces inclinées 11,12. Une ouverture 15, tournée vers l'amont, est prévue dans le bord d'attaque du nez 14 et des ouvertures 16,17 sont ménagées entre le nez et l'arrière-corps 13. Du gaz provenant du courant principal va entrer dans le nez par l'ouverture 15, comme 35 indiqué par la flèche E, et va passer sur les surfaces intérieures des parties rentrantes 7,8 avant de traverser les ouvertures 16, 17, comme indiqué par les flèches 0, de manière à être déchargé, depuis lesdites ouvertures, tangentiellement aux surfaces de l'arrière-corps. De la chaleur est ainsi évacuée des parties 40 rentrantes et une couche de refroidissement est formée autour de BAD ORIG/Nal 69 19207 5 2010612 l'arrière-corps. Le refroidissement, par couche des surfaces extérieures des parties rentrantes ne peut être réalisé en pratique, eu égard à la possibilité d'éteindre la combustion qui a lieu dans les gaz de recirculation. On envisage de réaliser ces surfa-5 ces en céramique (par exemple, en nitrure de silicium) ou en un autre matériau réfractaire. Du combustible atomisé est, de préférence, déchargé dans l'écoulement principal, par exemple à l'aide de gicleurs 18,19, de manière qu'il frappe les surfaces de l'ailette en aval de l'ouverture 15, mais en amont des parties ren-10 trantes 7,8. Selon une variante, on peut se passer de l'ouverture 15 et on peut introduire un écoulement de refroidissement dans le nez par liaison avec un point convenable exempt de combustible. semblable, au point de vue de la combustionr,à celui d'une gout- des/ 15 tière en V de largeur égale à la combinaison /profondeurs des parties rentrantes. L'obstruction du conduit est ainsi de l'ordre de 2 ou 3 fois plus grande que celle provoquée par la gouttière équi- mais il „ valent^ n'y a pas le sillage important provoque par la gouttiere. Aussi, la perte de pression quand la post-combustion ne fonction-20 ne pas est, dès lors, considérablement plus faible que dans le cas de la gouttière. Les stabilisateurs de flamme tels que décrits jusqu'ici- ne sont pas limités à une utilisation avec des^dispositifs de postcombustion mais peuvent servir- également, par exemple, dans des 25 conduits de by-pass de moteurs à turbo-compresseurs où on désire produire par intermittence une puissance supplémentaire en brûlant du combustible dans de tels conduits. Le fonctionnement d'un tel stabilisateur de flamme serait BAD "ORIGIi^u 69 19207 6 2010612 REVENDICATIONS 1. Dispositif de combustion caractérisé par le fait qu'il comprend un corps ayant une surface aérodynamique et une partie rentrante ménagée dans la surface, la partie rentrante étant agencée de manière à soutenir un écoulement de recirculation et 5 ayant une forme propre à amener un écoulement de gaz sur la surface à s'en séparer et à se mélanger, au moins en partie, avec l'écoulement de la recirculation» 2. Dispositif de combustion selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'écoulement de recirculation est con- ÎO tenu partiellement dans la partie rentrante dont les dimensions sont prévues pour maintenir la vitesse périphérique de l'écoulement de recirculation à une valeur inférieure à la vitesse de l'écoulement libre du courant de gaz sur la surface. 3. Dispositif de combustion selon la revendication 1 ou 2, 15 caractérisé par le fait que le corps est constitué par une ailette de section de surface portante symétrique comportant des parties rentrantes sur ses surfaces opposées dans la région d'épaisseur maximale de l'ailette. 4. Dispositif de combustion selon la revendication 1, 2 ou 20 3, caractérisé par le fait que la ou chaque partie rentrante admet sensiblement une section constituée par une partie d'ellipse avec des bords s'étendant le long de l'ailette, transversalement à la direction de l'écoulement du gaz® 5. Dispositif de combustion selon la revendication 4, ca-25 ractérisé par le fait que des évidements sont prévus sous les bords de la ou de chaque partie rentrante de manière à définir des régions en pointe opposées, espacées l'une de.l'autre dans la direction de l'écoulement du gaz. 6. Dispositif de combustion selon la revendication 1, 2 ou 30 3, caractérisé par le fait que la ou chaque partie rentrante comprend une surface sensiblement plate s'étendant généralement parallèlement à la direction du courant à écoulement libre. 7» Dispositif de combustion selon la revendication 6 .t caractérisé par le fait que la surface sensiblement plate est re-35 liée, à son extrémité aval3 à la surface aérodynamique par une. surface inclinée s5 étendant dans une direction aval généralement. 8. Dispositif de combustion selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la surface inclinée sous—tend un argle de l'ordre de 30° avec la surface sensiblement plate. '^ÀD ORIGINAL ' J 69 19207 7 2010612 9. Dispositif de combustion selon la revendication 6, 7 ou 8, caractérisé par le fait que la surface sensiblement plate est composée d'un matériau réfractaire. 10. Dispositif de combustion selon la revendication 9, ca-5 ractérisé par le fait que le matériau réfractaire est constitué par une céramique. 11. Dispositif de combustion selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le matériau réfractaire est constitué par du nitrure de silicium. 10 12. Dispositif de combustion selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens disposés dans le corps pour extraire de la chaleur de la ou de chaque partie rentrante. 13. Dispositif de combustion selon la revendication 12, 15 caractérisé par le fait qu'il comprend, dans le corps, un passage pour l'écoulement d'un fluide de refroidissement. 14. Dispositif de combustion selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps est constitué par une ailette de section de surface portante symétri- 20 que comportant des parties rentrantes sur ses surfacës opposées dans la région d'épaisseur maximale de l'ailette et comprenant une partie creuse contenant ladite région d'épaisseur maximale et pourvue d'ouvertures pour l'entrée et la sortie de fluide de refroidissement. 25 15. Dispositif de combustion selon la revendication 14, caractérisé par le fait qu'il comporte une ouverture, faisant face à l'amont, reliée à la partie creuse, et des ouvertures de sortie ménagées dans la surface de l'ailette en aval des parties rentrantes. 30 16. Dispositif de combustion selon la revendication 15, caractérisé par le fait que les ouvertures de sortie -sont agencées de manière à décharger le fluide tangentiellement en aval sur les surfaces de l'ailette. r* * -rv nf) IGINAÎ,