Brevet FR2048007A1 — publié le 19710319

L'Invention concerne une chambre dt combustion pour turbo-réacteur, équipée avec des installations pour l'amenée et la préparation du carburant. Sans les réalisations connues de 5 chambre de combustion pour turbo-réacteur, le carburant est pulvérisé finement, par exemple à travers des buses simples ou doubles connues, sous pression élevée, et injecté dans la zone primaire, où il est préparé, c'est-à-dire amené dans un état en forme de vapeur, pour être finalement brûlé, ou bien il parvient, au moyen de buses 10 de pulvérisation d'air dans la zone primaire, auquel cas de l'air lui est mélangé déjà à l'intérieur de la buse, en vue de raccourcir l'opération de préparation. On connaît également des modes d'amenée et de préparation du carburant au moyen de divers types de 15 brûleurs-vaporisateurs, dans lesquels le carburant, sur la base de hautes températures de paroi causées par la combustion et de conditions d'écoulement favorables, est amené dans le brûleur à un état gazeux et mélangé au préalable avec de l'air. Tous ces systèmes d'injection de 20 carburant connus ont cependant de particulier que la combustion part plus ou moins d'un seul point, de sorte que, en l'absence d'opérations de mélange appropriées, forcées, et d'installations correspondantes, il ne s'établit pas, par la chambre de combustion, de profil de température de sortie uniforme. En outre, ce mode d'injection 25 de carburant par points exige des chambres de combustion relativement longues pour assurer line extension efficace du front de flammes, et obtenir ainsi une combustion complète, ou bien il exige un tourbillonnement très marqué, dans la zone primaire, des composants carburant et air, en vue d'obtenir par force dans cette zone pri-30 maire une.combustion relativement uniforme, ce qui, cependant, est lié à des pertes de pression accrues, qui ont pour conséquence des pertes de rendement de l'unité motrice. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients existant dans les chambres de combustion connues, 35 du point de vue de l'amenée et d© la préparation du carburant, et de réaliser une chambre de combustion qui se distingue des types connus, par une longueur considérablement plus réduite, au profit d'un volume moindre et d'un poids moins important du turbo-réacteur, cette chambre assurant, malgré sa longueur inférieure à celle des 40 modèles connus, par une préparation optimale du mélange de carburant 69 45129 2 2048007 et d'air, un profil de température uniforme à la sortie de la chambre de combustion. En outre cette chambre permet une température intérieure plus élevée que celle des chambres con-45 nues, avec des pertes d© pression moindres de l'air à marner pour le processus de combustion. La chambre do combustion d© l'invention est caractérisé© en ce que la paroi amont du tube à flamme ' de la chambra de combustion est traversée par un ou plusieurs élé-50 ments, pouvant Ôtre traversés par le courant d© gas qui s'écoule, constitués par exemple, en un matériau fritte ou cér-aiiioue , avec, en amont de ces éléments, les installations d'injection de carburant. Bans la chambre de combustion de 55 l'invention, la portion essentielle d® l'air déplacé par le compresseur parvient comme air primaire dans l®s ©lêasate poreux traversés par le courant, et «11® s'y mélange iatisasmeat avec le carburant introduit. Le degré d© perméabilité an passage â® l'air, ainsi que la longueur de traversés nécessaire à® cas éléments, dé-60 terminent la durée de séjour et ainsi la préparation dm mélange carburant-air, ainsi que la proportion d'air primaire à la sortie dans la zone primaire 'du tube à flaranes qui fait parti® de la. chambre de combustion. Par le choix à!mi matériau appro-65 prié (par ©sfmpleim matériau fritte ou "uns céramique) de ces éléments poreux, avec des sections d© traversée astrêmeiaent petites et une faible longueur de traversée, 11 invention permet par exemple , d'une part, tan mélange intime du carburant et de l'air, et d'autre part, une proportion d'air relativement élevée, de sorte 70 que le carburant peut être "brûlé, déjà direct «aant d^i'rière' ces é-léments poreux, ©t directement à l'extrémité amont du tuba de flammes de la chambre de combustion. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on peut prévoir deux ou plusieurs éléments, per-75 méables à la traversée du courant, disposés à distance l'un de l'autre, formant une ou plusieurs chambrés qui sont 'équipées avec -des plaques àéflectrices déc&lées entre elles» ... Le mêlazige ds carburant et d'air s'écoule, âsms'une telle disposition, d'abord dans la chambre. Les 80 plaquas défleetrlcos prévoès dass cetté cha®»?© assurent, d'une 69 45129 3 2048007 part, un tourbillonnement intense et tan mélange intime des composants carburant et air. Elles permettent en outre,par leure dispositions décalées entre elles à l'intérieur de cette chambre, que des quantités différenciées du mélange soient obtenues localement pour 85 traverser le second élément poreux, de sorte que, en amont de la chambre de combustion puissent se former, én des emplacements déter-minés, des. zones plus pauvres et des zones plus riches en carburant. Ceci signifie, en d'autres termes, la réalisation d'un profil non uniforme d'injection de carburant, au profit d'un profil de tempé-90 rature plus uniforme à la sortie de la chambre » Conformément à l'invention, il peut ôtre avantageux de disposer et de constituer les éléments perméables en forme de cercle ou d'anneau. Pour obtenir un profil de tempé-95 rature uniforme à la sortie de la chambre, les éléments traversés par le courant conformes à l'invention sont disposés décalés entre eux suivant une forme identique ou des formes différentes. On obtient en outre une plus grande facilité d'entretien de la chambre en prévoyant que les élé-100 ments sont interchangeables et disposés dans la paroi amont du tube à flammes appartenant à la chambre. La chambre de combustion de l'invention peut être utilisée dans un turbo-réacteur qui comjbrend plusieurs chambres de combustion individuelles disposées coaxialement .105 à l'axe longitudinal médian de l'unité, ou.qui présente une chambre de combustion annulaire disposée coaxialement à cet axe» /■la description se rapporte à des modes de réalisation représentés aux dessins annexés qui montrent s - figure 1, une coupe par l'axe 110 longitudinal médian d'une partie de la chambre de combustion dans un premier mode de réalisation, - figure 2, une coupe par I-I de la figure 1, - figure 3, une coupe longitudi-115 nale d'Une chambre de combustion dans un deuxième mode de "réalisation, - figure 4, mie coupe par III- III de la figure 2, - figure 5, une coupe longitudi-120 nale d'un troisième mode de réalisation, 69 45129 4- 2048007 -figure 6, une coupe par V-V de la figure 5, -figure 7, une autre coupe partielle d'une chambre de combustion avec plusieurs tubes à flammes 5 individuels disposés dans un espace annulaire commun, - figure 8, en variante des figures 2 et 4, une section transversale partielle d'une chambre de combustion annulaire dans un troisième monde de réalisation^ - figure 9» en variante des figures 10 2, 4 et 8, une section transversale partielle d'une chambre annulaire suivant un quatrième mode de réalisation, - figure 10, une coupe transversale partielle d'un turbo-réacteur, avec application de l'invention au cas comportant plusieurs chambres de combustion individuelles. 15 Les chambres de combustion repré sentées dans les figures 1 à 3 se composent essentiellement d'une enveloppe extérieure 1 avec, à l'intérieur, un tube à flamme 2. Les parois de l'enveloppe 1 et du tube à flamme 2 sont disposées coaxialement à l'axe longitudinal médian d'un turbo-réacteur non représen-20 té aux dessins et constituent ainsi des chambres de combustion annulaires fermées sur elles-mêmes (figure^ 2 et 4). Suivant la figure 1, de l'air comprimé, transporté par un tuyau 3 élargi en forme d'entonnoir à partie du compresseur de l'unité motrice à turbine, est amené & la 25 chambre de combustion. Il parvient, d'une part, en direction de la flèche F, comme air primaire, intimement mélangé au carburant, qui est injecté par des canalisations tubulaires 4 transversalement au courant de l'air sortant du compresseur, dans un élément poreux 5. Cet élément 5 traverse en son milieu la paroi amont du tube à flamme 30 7 et s'étend coaxialement à l'axe longitudinal médian de l'unité à turbine (figure 2). En raison de l'injection du carburant traaversalement à la direction d'écoulement de l'air du compresseur, le carburant est déjà mélangé avec l'air avant l'élément 35 poreux 5, et le mélange de carburant et d'air parvient, étant encore préparé davantage à l'intérieur de l'élément 5, en direction de la flèche G dans le tube à-flamme 2, dans lequel l'allumage du mélange préparé s'effectue au moyen d'intallations connues, non représentées aux dessins* 40- Une partie restante de l'air dépla 69 45129 5 2048007 cé par le compresseur de l'unité à turbine parvient en direction de la flèche H, à travers le tuyau 3, dans les canaux annulaires 8, 9 formés par l'enveloppe extérieure 1 et le tube à flamme 2,pour refroidir les parois de la chambre de combustion, ou pour le mélange 5 d'air secondaire dans le tube à flamme 2, suivant la flèche K, et à travers les orifices 10 du tube à flamme. En variante des figures 1 et 2 dans la chambre de combustion de la figure 3, deux éléments poreux 11, 12, disposés espacés entre eux en direction de l'axe, dans la 10 paroi frontale amant 7 du tube à flamme, forment une chambre 13, qui est équipée avec des plaques déflectrices 14, 15, décalées entre elles. A la différence de la figure 1, est prévue, dans la figure 3, une seule canalisation annulaire de 15 combustible 16 devant les éléments poreux 11, 12 qui s ont, comme le montre la figure 4, des segments annulaires en anneau, de môme grandeur , disposés à intervalles réguliers en direction du pourtour de la chambre de combustion. Devant chacun-des éléments 11, le carburant est injecté transversalement à la direction F d'écoulement de 20 l'air primaire, par deux orifices de la canalisation annulaire 16. le mélange de carburant et d'air s'écoule, dans la disposition de la figure 3, d'abord à travers l'élément 11 dans les chambres 13, où. les plaques déflectrices 14, 15 assurent un tourbillonnement intense et un mélange intime du carbu-25 rant et de l'air. Elles ont, d'autre part, pour effet que des portions différenciées, par exemple des quantités différentes de mélange (flèche L), sont produites localement et amenées au second é-lément poreux 12, pour être introduites hors de celui-ci daxB 1© tube à flamme 2 (flèche M)„ 30 Dans les exemples suivant les figu res 5 ®t 6, plusieurs tubes à flamme individuels 17 sont disposés dans l'enveloppe de forme annulaire 1 de la chambre de combustion. Les parois frontales amont 18 des tubes à flamme sont traversées chacune par trois éléments poreux en forme de plaque 19, 20 et 21, qui 35 forment des chambres 22, 23, dans lesquelles le mélange d'air et de carburant qui pénètre en direction de la flèche 0_est intimément mélangé et préparé, avant qu'il .puissa .parvenir., en direction de la flèche P, dans chaque tube à flamme 17. Devant chaque élément poreus 19 est injecté, conformément à la figure 3, à travers deux oi ifices 40 de. la canalisation annulaire d® carburant 16, le carburant, transver 45129 6 2048007 salement à la direction d'écoulement P de l'air arrivant du compresseur. Ici aussi, certaines portions de l'air de compresseur amenées par le tuyau 3 s ' écoulant en direction de la flèche dans une chambre annulaire 24» qui entoure les tubes à flamme individuels 17» 5 pour refroidir les parois de la chambre de combustion^, ainsi que, le cas échéant» pour un mélange d'air secondaire, en direction de la flèche K, à travers les orifices 10. Dans 1© caa de cas éléments poreux 19» 21, comme 1© montrent les figures 5 et 6, seules les sections 10 transversales en forme de plaques sont perméables au passage de l'écoulement. Par contre, les éléments 20 ne sont perméables que dans leur milieu» De cette assiéra le mélangs du emmurant avec loair peut être amélioré,et en outre les temps de aé^our des composants carburant et air à l'intérieur des chanbree 22 et 23 peuvent 15 être contrôlés. Dans le cas de pstitss sections de traversée et d'une longueur axial© réduit© d5éeouXemeat des élément® poreux 19» 20, 21 » la disposition- âe la figeage 5 permet également une préparation optimal© du mélange csvrburant-air» avee une addition 20 d'air relativement élevée, afia que la ©oabuetion puisse ae produire avec un front de flamme aussi large que possible» dirootamant derrière la paroi frontale amoat 18 du tube à flamme ainsi que directement derrière le® élément® poreux 21. Los dispositions et fermes des éléments 25 poreux 19» 20, 21 ainsi çpa® 21®, suivant les figures 5s 6 ©t ?, seat utilisables &m& 1© q&b à© cJaaœlaree de combustion aaaulaires conforaiea sua figures 1 à Se jùans le oa,e d'une disposition siïlvant la figure 5S les éléments poreux peuvent âtr«ô d® forma quadraa-30 gulalre au lieu-de circulaire, cosse an 211 {figors 7)o Sour obtenir un profil de température uniforme à là sortie de la eîiësbre de combustion il peut âtre en outre avantageux de constituer les éléments pesetas;» dans leur disposition et leur construction;, suivant- les figures 1 , 3 et 5» 35 comme des éléments 25 de même forme décalés entre eux» sous la forme de segments d'anneau circulaire (figure-8}-, ou dans me suecessioa alternée avec des sections transversales eir^iilaires de grandeurs différentes» comme représenté dans les positions 26, 27 (figure 9). àa figure 10 montre un© application 40 de l'invention'dans le- bas de plusieurs chambres de - combustion inâi» • 'viduslles disposé®® " coasiaieEseât à "l'as® lorgitudiml d#un turbo-rëae- 45129 7 2048007 teur, non représenté aux dessins, avec des enveloppes extérieures cylindriques 28, dans lesquelles sont montés des tubes à flamme cylindrique 29. Une coupe longitudinale médiane d'une chambre de combustion de la figure 10 peut être identique aux formes de réalisation 5 représentées dans les figures 1 ou 3. Dans la coupe transversale de la figure 10, les éléments poreux 30 sont dans ]eur ensemble perméables à la traversée de 1'écoulement et de forme circulaire. Mais ils peuvent aussi bien être rectangulaires ou carrés et être perméables au courant, soit dans leur ensemble, soit seulement en partie, en 10 forme de plaques annulaires ou carrées, comme représenté aux figures 6 et 7. les références 31 et 32 dans la figure 10 désignent les parois du turbo-réacteur, qui entourent étroitement les enveloppes extérieures des chambres de combustion 28, et dans lesquelles sont maintenues les chambres individuelles, par des moyens appropriés, non re-15 présentés aux dessins. Dans toutes les formes de réalisation précédentes des chambres de combustion, les éléménts poreux doivent être facilement interchangeables, à la manière des buses d'injection de carburant usuelles, par exemple par un assemblage à vis 20 (non représenté) ou à enfichage (figure 5) dans le domaine de la paroi amont du tube à flamme. Pour le cas d'emploi d'une jonction à enfichage (figure 5)» les éléments poreux 19, 20, 21 peuvent former, avec les chambres Au lieu des canalisations à carburant 4, 16 (figures 1, 3, 5) qui sont pourvues de perçages pour la 30 sortie de carburant, on peut également prévoir, d'une manière courante ?des buses individuelles,-alimentées à partir d'un système de carburant commun. Au lieu de la représentation des figures 1, 3 et 5, avec une injection de carburant transversalement à l'air de compresseur qui s'écoule, on a également la possibilité d'injecter le 35 carburant, en partie ou .en totalité, contre la direction d'écoulement de l'âir par des buses indiv Iduelles ou des perçages dans une canalisation annulaire. Les éléments poreux des exemples précédents peuvent, comme il a été déjà mentionné, être fabriqués en 40 matériau fritté ou céramique approprié. Mais ces élémenents peuvent 45129 8 2048007 aussi être constitués par une toile métallique ou treillis à mailles extrêmement fines. En plus des formes de section transversale représentées, ces éléments poreux peuvent, selon les circons-5 tances, être de forme polygonale ou elliptique, avec des arêtes arrondies ou aiguës, notamment pour un emploi avec des tubes à flamme individuels 17 (figure 6), des chambres de combustion individuelles 28, 29 (jfigure 10) ou avec une disposition des éléments poreux décalés entre eux (figure .8). 10 Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés; à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du domaine de l'invention. 45129 9 2048007 REVBNDICA3 10 IT S- -• 1. Chambré de combustion pour tur bo-réacteur, équipé avec des installations pour l'amenée et la préparation du carburant, chambre caractérisée en ce que la paroi amont 5 du tube à flamme de la chambre de combustion est traversée par un ou plusieurs éléments, pouvant être traversés par le courant de gaz qui s'écoule, constitués par exemple en un matériau fritté ou céramique, avec, en amont de ces éléments, les installations d'injection de carrant . 10 2. Chambre de combustion conforme à la revendication 1, caractérisée par deux ou plusieurs éléments perméables à l'écoulement, disposés espacés l'un derrière l'autre, formant une ou plusieurs chambres qui sont équipées avec des plaques déflectrices décalées l'une par rapport à l'autre» 15 3.Chambre de combustion conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments perméables à 1'écoulement sont disposés et constitués en forme de cercle ou d'anneau. 4. Chambre de combustion suivant 20 la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments perméables à l'écoulement sont de forme identique ou de formes différentes et décalés entre eux. 5» Chambre de combustion suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments sont dispo-25 sés de manière interchangeable dans la paroi amont du tube à flamme appartenant à la chambra. 6«Chambre de combustion suivant la revendication 1, caractérisée, pour son emploi dans une unité gé- -nératrice à turbine à gaa, en ce qu'elle est associés à plusieurs 30 chambres à combustion disposées coasialëment à l'axe longitudinal médian de la turbine ou disposée comme chambre de combustion annu -laire coaxiale à l'axe longitudinal médian de la turbine.