Brevet FR2027582A1 — publié le 19701002

i 2027582 L'invention est relative à des dispositifs de commande d'écoulement permettant d'obtenir une variation d'un écoulement de fluide. De tels dispositifs peuvent trouver une application, par exemple,dans les moteurs à turbine à gaz utilisés pour la -5 propulsion d'avions. Dans les moteurs, à turbine à gaz classiques, un compresseur envoie de l'air à l'intérieur d'un système de combustion à l'intérieur. duquel on introduit du carburant dans l'écoulement et on l'y inflamme, les gaz de combustion ainsi produits étant amenés 10 à une turbine. D'une manière générale, le compresseur fournit plus d'air qu'il n'est nécessaire pour assurer une combustion complète du carburant et on a l'habitude de subdiviser l'écoulement d'air s'écoulant en direction du système de combustion en deux ou plus 15 de deux courants. L'un de ces courants sert à amorcer et à entretenir la combustion, tandis qu'un autre est utilisé pour diluer les produits de combustion chauds, afin de réduire leur température à une valeur compatible avec la gamme de température de fonctionnement de la turbine. 20 Dans les moteurs à turbine à gaz pour avions, on a besoin de systèmes de combustion susceptibles de fonctionner dans une large étendue de régimes de fonctionnement, ce qui entraîne des valeurs différentes des débits massiques d'écoulement des courants d'air de combustion et d'air de dilution. Pour assurer 25 un rendement de combustion élevé, on a l'habitude, pour la fraction de l'écoulement total d'air amenée dans la zone de combustion ou zone primaire, de la déterminer en fonction de la quantité de carburant qui doit être brûlée pour produire 1'apport de chaleur nécessaire à la turbine en régime de croisière. En 30 raison des variations des valeurs du rapport global air/carbu-rant que l'on observe dans la zone primaire, un rapport air/ carburant idéal pour le régime de croisière conduit habituellement à un mélange trop riche dans la zone primaire pour le régime de décollage, avec comme conséquence la formation de suies 35 et l'émission de fumées. Il est possible de réduire l'émission de fumée au décollage en appauvrissant la richesse du mélange de la zone primaire, mais cette solution entraîne une augmentation de la vitesse de l'air dans la zone primaire qui rend l'allumage du moteur malaisé en altitude. On considère comme avantageux de 40 pouvoir faire travailler la zone primaire d'une manière continue 69 42224 2 2027582 à un rapport air/carburant essentiellement constant. Dans ces conditions, il est souhaitable de disposer d'un mécanisme de construction simple et de fonctionnement sûr qui permette de faire varier l'écoulement d'air ,amené à la zone primaire en 5 fonction des exigences de fonctionnement requises sans que le poids ou la puissance du moteur en soit affecté. En général,les conditions sévères ambiantes n'engagent pas à utiliser des dispositifs mécaniques en augmentant ainsi les pièces en mouvement. Du fait que, jusqu'à présent,'on n'a trouvé aucun autre procédé 10 utilisable dans la pratique pour effectuer une commande adéquate du débit massique d'écoulement de l'air frais, sans entraîner une détérioration trop sévère du rendement global du cycle, l'expédient représenté par une commande partielle a été pris en considération. 15 L'invention est relative à des dispositifs de commande d'é coulement utilisables dans ce but, dans lesquels l'application de la commande de la couche limite est effectuée à la partie constituant le diffuseur d'un venturi. Un dispositif de commande d'écoulement conforme à l'inven- 20 tion comporte un conduit, un restricteur d'écoulement disposé disposé à l'intérieur du conduit et comportant une buse d'aspiration et une partie divergente située en aval de la buse d'aspiration et des moyens de commande de la couche limite associés au restricteur. 25 Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le conduit a ses côtés essentiellement parallèles à ceux du restricteur placé à l'entrée ou au voisinage de l'entrée du conduit et des moyens sont prévus pour l'application d'une dépression le long d'une certaine surface du restricteur. 30 Divers modes de réalisation de 1'invention,nullement li mitatifs de la portée de 1'invention,sont décrits plus en détail, ci-après en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale d'un dispositif de commande d'écoulement conforme à>l'invention ; 35 les figures 2, 3 et 4 sont des coupes axiales partielles de diverses variantes de chambres de combustion tubulaires comportant des dispositifs de commande d'écoulement ; - la figure 5 est une coupe analogue à celles des figures 2, 3 et 4 d'une autre variante de chambre de combustion tubulai- 40 re comportant un dispositif de commande d'écoulement? 69 42224 3 2027582 - la figure 6 est une coupe axiale d'un tube de vaporisation comportant le dispositif de commande d'écoulement représenté par la figure 1, et - la figure 7 est une coupe axiale partielle d'une chambre 5 de combustion annulaire comportant un dispositif de commande d' écoulement * La subdivision de l'écoulement d'air peut s'effectuer dans un venturi où la vitesse de l'écoulement est élevée particulièrement si l'angle de divergence, en aval de la buse d'aspira-10 tion, est grand. On sait que l'application d'une dépression sur la couche limite dans un venturi d'angle de divergence important dans lequel s'est produit la subdivision de l'écoulement, va assurer la reformation de l'écoulement avec une augmentation corrélative de rendement. Avec un venturi particulier, on a consta-15 té que le rendement pouvait être augmenté de 50 à 81 % avec un écoulement de la couche limite égal à 5 % de l'écoulement total le traversant. Le coefficient de débit du plan de sortie s'approche du rapport des surfaces respectives des plans de la buse d'aspira-20 tion et de sortie lorsque la subdivision se produit au niveau de la buse d'aspiration mais sera considérablement augmenté par l'application d'une dépression susceptible d'assurer la reformation de l'écoulement. Par exemple, un venturi ayant un rapport de surfaces de 3/1 entre le plan de sortie et la buse d'aspira-25 tion et un angle de divergence de 10", présentait un coefficient de débit de 0,63 dans le plan de sortie avec un écoulement normal, mais ce coefficient était réduit à 0,33 seulement lorsque la subdivision de l'écoulement se produisait dans la buse d'aspiration. On peut par conséquent réaliser un venturi destiné 30 à agir à la manière d'un dispositif de commande d'écoulement. On peut obtenir d'autres perfectionnements en ajoutant un conduit parallèle à l'extrémité aval de la partie divergente, au moyen duquel conduit on assure une récupération de pression supplémentaire consécutive à une redistribution des vitesses. 35 La figure 1 représente un dispositif de commande d'écoule ment comportant un conduit cylindrique 1 muni d'un restricteur annulaire 2 disposé à son intérieur à l'une de ses extrémités. Le restricteur se rétrécit suivant un cône en allant vers l'intérieur à partir de chacune^ des extrémités pour constituer un 4 0 venturi dont la buse d'aspiration est située axialement sur line 69 42224 4 2027582 partie de la longueur du restricteur, la surface de section droite de la buse d'aspiration étant de l'ordre d'un tiers de celle du conduit. La direction, normale de l'écoulement à travers le conduit est indiquée par les flèches A, le restricteur 5 étant ainsi situé à l'extrémité d'entrée du conduit avec une partie convergente en amont de la buse d'aspiration du venturi et une partie divergente en aval. Un espace annulaire 3 est délimité entre le restricteur et la parçi du conduit et communique avec un passage 4 traversant la paroi. Des trous 5 sont 10 disposés sur la partie divergente du venturi et traversent le restricteur ; ils sont placés suivant deux rangées périphériques espacées axialement l'une de l'autre. L'angle embrassé par la partie divergente du venturi est d'environ 60°, valeur qui donnera lieu à une subdivision de l'écoulement au niveau, ou au 15 voisinage de la buse d'aspiration, même si l'air traversant le conduit circule à grande vitesse. Ce régime d'écoulement est représenté dans la partie inférieure de la figure 1 et va donner lieu à un étranglement de l'écoulement avec des vitesses de sortie maximales au voisinage de l'axe du conduit et une réduc-20 tion très nette de la répartition transversale radiale des vitesses qui va essentiellement jusqu'à s'annuler sur les parois du conduit. Une dépression appliquée au passage 4, comme l'indique la flèche B,sera transmise à l'espace annulaire 3 pour agir, à travers les trous 5, sur la couche limite de l'écoule-25 ment, dont l'épaisseur se trouvera ainsi réduite, obligeant le point de subdivision à se déplacer vers l'aval avec reformation consécutive de l'écoulement à l'intérieur du conduit, comme on l'a représenté dans la partie supérieure de la figure. La répartition transversale de vitesse,qui en résulte, à la sortie 30 devient moins raide, avec une certaine réduction de la vitesse maximale et une vitesse appréciable est assurée le long de la paroi du conduit. Le débit d'écoulement à travers le conduit se trouve ainsi augmenté ; on a trouvé que le coefficient de débit peut ainsi être augmenté d'un facteur 1,7 pour un débit d'as-35 piration à travers le passage de 4 ou 2 % du débit d'écoulement total. On s'attend à pouvoir obtenir une commande proportionnelle par de tels moyens en faisant varier l'intensité de la dépression ou en faisant communiquer diverses rangées de trous, sépa-40 rément, avec une source de dépression, par l'intermédiaire d'un 69 42224 5 2027582 dispositif à soupapes différentielles. De plus, bien qu'on ait représenté le venturi avec une forme convergente-divergente, la partie convergente n'est pas essentielle et peut être remplacée, par exemple, par une partie de faible rayon ou une autre ouver-5 ture d'entrée qui empêche la formation d'une veine contractée. Les fig. 3 et 4 montrent l'application de dispositifs de commande d'écoulement, essentiellement analogues à celui décrit ci-dessus, à des chambres de combustion à turbulence telles que celles utilisées dans les moteurs à turbine à gaz ; on a , 10 dans chaque cas, utilisé les mêmes références numériques pour désigner des pièces constitutives correspondantes. Tous ces dispositifs sont fondamentalement semblables, l'air pénétrant à l'intérieur d'une chambre de combustion 6 à son extrémité amont, comme l'indiquent les flèches C et étant subdivisé en 15 deux courants ; l'un de ceux-ci pénètre à l'intérieur d'un espace annulaire entourant un tube à flamme (ou chambre de combustion proprement dite) 7, qui est monté coaxialement à l'intérieur de la chambre de combustion 6 et l'autre courant , indiqué par les flèches A, pénètre à l'intérieur du conduit 1, à 20 partir duquel il est dirigé à l'intérieur de la zone primaire 8 du tube à flamme 7. Le conduit 1, dans chacun des cas, est muni d'un restricteur 2, disposé au voisinage de son extrémité amont, qui définit un venturi présentant des trous 5, disposé sur sa partie divergente et communiquant avec un espace annulaire 3 25 entourant le venturi et raccordé par un passage 4 à une source de dépression. Une fraction du courant d'air dirigé à l'intérieur de l'espace annulaire qui entoure le tube à flamme passe à travers les trous 9 portés par le tube à flamme, comme l'indiquent les flèches D et sert d'air de combustion secondaire,le 30 reste s'écoulant plus en aval à travers des trous de dilution (non représentés sur les figures) dans le tube à flamme. L' application d'une dépression à l'espace annulaire 3 aura pour action, comme on l'a décrit précédemment, d'assurer la reconstitution de l'écoulement subdivisé et d'augmenter le débit d'é-35 coulement total à travers le conduit. Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, l'air traversant le conduit 1 s'écoule à travers un aubage de turbulence 10 entourant un injecteur. 11 de carburant avant de pénétrer dans la zone primaire 8. Sur la figure 2, le dispositif 40 de commande de l'écoulement pourrait être considéré comme monté 69 42224. 6 2027582 en série avec l'injecteur de carburant , tandis que sur la fig. 3 il est disposé coaxialement à celui-ci. Dans Les deux cas il pourrait être avantageux de prolonger l'injecteur de carburant à travers le venturi, en direction aval par rapport à l'écoule-5 ment normal traversant le conduit,de manière à former une pièce centrale. Dans le mode de réalisation de la figure 4, l'air traversant le conduit 1 est dévié par les déflecteurs 12, de manière à pénétrer dans la zone primaire 8 à travers des fentes dispo-10 sées tout autour de l'injecteur de carburant. La figure 7 représente en fait le mode de réalisation de la figure 4 dans son application à une chambre de combustion annulaire. La chambre est délimitée par deux parois circulaires concentriques 30, 31 et entoure un tube à flamme, délimité lui 15 aussi par deux parois circulaires concentriques 32, 33. Comme précédemment, un courant d'air C pénètre à l'intérieur de la chambre de combustion à son extrémité amont et est subdivisé en deux courants , un courant A étant dirigé à l'intérieur du tube à flamme, et un autre courant s'écoulant tout autour de la pa-20 roi extérieure du tube à flamme, une partie de ce dernier courant passant,à travers les trous 34, à l'intérieur de la chambre de combustion pour servir d'air de combustion secondaire. L'ouverture d'entrée du tube à flamme est munie d'un restricteur constitué sous forme d'anneaux circulaires 35, 36, de profils 25 incurvés, fixé sur les surfaces intérieures, par rapport au tube à flamme, des parois 32, 33 dans la région de l'extrémité amont du tube à flamme. Dans une représentation bi-dimensionnel-le (c'est-à-dire suivant la coupe représentée par la figure 7j, les anneaux constituent un venturi à travers lequel doit s'écou-30 1er l'air pénétrant dans la zone de combustion primaire du tube à flamme. Des rangées périphériques de trous 37, 38 sont disposées sur les anneaux circulaires 35, 36, et les traversent, dans la partie divergente du venturi, qui vient d'être décrit, faisant communiquer le passage d'écoulement avec les espaces 39, 35 40, compris entre l'anneau 35 et la paroi 32 et entre l'anneau 36 et la paroi 33. Des tubes 41, 42 raccordent les espaces 39, 40 à une source appropriée de dépression et un déflecteur 4 3 est prévu pour répartir régulièrement l'air, arrivant dans la zone de combustion primaire. La suite de l'opération s'effectue, 40 ainsi qu'on l'a déjà décrit, par l'application d'une dépression 69 42224 7 2027582 qui assure la reformation de l'écoulement d'air subdivisé (le long des surfaces des anneaux 35, 36 dans ce cas). L'air s'écoulant directement à l'intérieur de la zone de combustion primaire constitue essentiellement dans ce cas 10 à 5 15 % du débit massique total d'écoulement d'air à travers la chambre , de sorte qu'un écoulement d'aspiration de 5 % constituera seulement 0,5 à 0,75 % de l'écoulement total d'air. Dans un moteur à turbine à gaz, la pression maximale de l'air règne normalement à l'ouverture d'entrée de "la chambre de 10 combustion et dans ces conditions la dépression peut être facilement obtenue par un évent allant de cette région à quelque autre emplacement du moteur où on obtient nécessairement une pression plus basse. La figure 5 représente un mode de réalisation dans lequel 15 l'air primaire et l'air secondaire traversent tous deux un dispositif de commande d'écoulement, les mêmes références numériques que dans les figures 1 à 4 ayant été ici encore utilisées. L'air,pénétrant à l'intérieur d'une chambre de combustion du type tubulaire, est subdivisé en deux courants comme auparavant, 20 l'un de ces courants pénétrant à l'intérieur d'un- espace annulaire, disposé autour du tube à flamme ' 7 , mais s'écoulant ensuite directement à 1'intérieur de trous de dilution. L'autre courant pénètre à 1'intérieur d'un conduit divergent 15, muni d'un restricteur d'écoulement 2 à son extré-25 mité d'entrée, ce restricteur d'écoulement constituant un venturi et un passage annulaire 3 comme précédemment, et comportant un passage analogue 4 destiné à être raccordé à une source de dépression. Une rangée de trous 16 est Drévue dans le but de commander la couche limite et une fraction de l'air s'écoulant ^ à travers le conduit 15 pénètre, à travers un aubage de turbulence 10 entourant un injecteur de carburant 11, à l'intérieur de la zone primaire 8. Un déflecteur 17 coopère avec la paroi extérieure du conduit 15 pour délimiter des ajutages à travers lesquels le reste de 1'air s'écoulant à travers le conduit est ^ envoyé, de manière à servir d'air de combustion secondaire, comme on l'a indiqué par les flèches K. En utilisant cette disposition, il est possible de commander un plus fort pourcentage de l'écoulement d'air pénétrant à l'intérieur de la zone primaire. 40 Comme on l'a indiqué précédemment, les systèmes de combus tion à hautes performances pour moteurs à turbine à gaz d'.avions 69 42224 8 2027582 sont conçus de telle manière que la subdivision de l'écoulement global constitue un compromis entre les exigences contradictoires de vitesses d'air raisonnables dans la zone primaire permettant un ré-allumage du moteur en altitude, et des rapports air/ 5 carburant acceptables dans la zone primaire pour le décollage. Des améliorations apportées aux performances en altitude, obtenues par diminution de l'écoulement primaire d'air se répercutent dans le fonctionnement par une plus grande richesse encore du mélange dans la zone primaire dans les conditions d'accélé-10 ration au décollage et en altitude de l'avion. En utilisant un dispositif de commande d'écoulement tel que celui décrit ci-dessus, la subdivision de l'écoulement d'air peut être ajustée par l'application d'une dépression pendant les conditions de décollage et d'accélération de manière à permettre une aug-15 mentation de l'écoulement d'air allant à la zone primaire et à réduire ainsi la trop grande richesse du mélange que l'on obtiendrait autrement dans ce cas. La dépression ne.sera pas appliquée pendant le réallumage, en régime de croisière et pendant les attentes d'atterrissage, et le débit massique d'écoulement 20 primaire sera, dans ces conditions , inférieur ; du fait qu'aucun écoulement d'aspiration n'est nécessaire en régime de croisière, il ne se produira aucune détérioration des performances sous ce rapport pendant cette phase particulière du fonctionnement du moteur, où la consommation spécifique de carburant est 25 une considération importante. Des systèmes de combustion.emploient des tubes de vaporisation dans lesquels on introduit du carburant et de l'air à l'extérieur d'une chambre de combustion, pour le faire pénétrer à travers ce tube à l'intérieur de la chambre de combustion. Le 30 tube lui-même est pour une grande partie placé à l'intérieur du tube à flamme et se trouve ainsi exposé aux gaz chauds, ce qui entraîne la vaporisation du mélange air/carburant avant son arrivée à l'intérieur de la zone de combustion. L'expérience a montré que cette disposition présentait parfois des difficultés 35 pendant le régime transitoire, particulièrement avec les mélanges pauvres. La figure 6 montre l'application d'un dispositif de commande d'écoulement à un tube de vaporisation, les composants essentiels de ce dispositif sont tels qu'ils ont déjà été décrits et ils sont désignés par les mêmes références numériques 40 Dans ce cas, le conduit 1 muni d'un restricteur d'écoulement 2 à 69 42224 9 2027582 son extrémité d'entrée, s'étend à travers une paroi 20 de tube à flamme et se prolonge à travers son extrémité aval à travers deux incurvations à angle droit pour envoyer le mélange à l'intérieur du tube à flamme. Du carburant est envoyé par l'ajuta-5 ge d'un injecteur 21 qui est dirigé vers l'entrée du conduit 1. Le rapport air/carburant varie en fonction de l'écoulement d'air qui traverse le conduit, l'application d'une dépression sur la couche limite de l'écoulement à travers les trous 5 provoquant une augmentation de volume de 1'air s'écoulant à travers 1e 10 conduit à quantité égale de carburant, appauvrissant ainsi le mélange. Réciproquement, une réduction de la dépression produit un mélange plus riche. Un avantage fortuit résulte de l'injection de carburant juste en amont de la buse, d'aspiration du restricteur d'écoulement et provient de l'augmentation de la 15 vitesse d'écoulement dans cette buse qui se produira en cas d* augmentation du degré de pulvérisation du carburant avant que s'effectue la vaporisation. Dans certains cas il sera avantageux de ne pas utiliser la dépression dans un but de commande de l'écoulement. Ceci peut 20 être effectué en utilisant un restricteur d'écoulement dans lequel la subdivision de l'air ne s'effectue normalement pas et en produisant cette subdivision par l'envoi de courants de gaz en provenance d'orifices portés par la surface du restricteur, en aval de sa buse d'aspiration . Le gaz pourrait être de 25 l'air prélevé dans la région de l'ouverture d'entrée du conduit du fait qu'il n'a besoin d'être qu'à une pression très légèrement supérieure à celle obtenue au niveau de la buse d'aspiration. Dans un moteur à 'turbine à gaz , l'utilisation d'une telle disposition pour commander 30 l'écoulement d'air arrivant à une zone primaire de combustion, par exemple, ne néces'site pas de courir le risque d'une détérioration du rendement pendant le régime de croisière, mais il est probablement nécessaire d'augmenter la longueur d' ensemble du conduit pour assurer le maximum de récupération dé 35 pression. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application , non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement 40 indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 69 42224 10 2027582 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'écoulement, caractérisé en ce qu' il comporte : un conduit ; un restricteur d'écoulement placé à l'intérieur du conduit et comportant une buse d'aspiration et 5 une partie divergente disposée en aval de la buse d'aspiration (dans la direction dëcoulement à travers le conduit) ; et des moyens de commande dé la couche limite associés au restricteur. 2. Dispositif de commande d'écoulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit est essentiellement à parois 10 parallèles , le restricteur est placé a l'entrée ou au voisinage de l'entrée du conduit et les moyens de commande de la couche limite peuvent être sélectivement appliqués à l'écoulement d'air passant le long d'une surface du restricteur. 3. Dispositif de commande d'écoulement selon la revendication 15 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens sont prévus pour l'application d'une dépression sur une surface du restricteur. 4. Dispositif de commande d'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de 20 commande de la couche limite agissent par l'intermédiaire de trous dans la partie divergente du restricteur. 5. Dispositif de commande d'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ]e restricteur est un venturi. 25 6. Dispositif de commande d'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé ën ce que la surface de section droite de la buse d'aspiration du restricteur est égale essentiellement à un tiers de la surface de section droite du conduit,mesurée dans le plan de sortie du restricteur. 30 7. Dispositif de commande d'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'angle embrassé par la partie divergente du restricteur est essentiellement égal à 60°. 8. Appareillage de combustion, caractérisé en ce qu'il comporte 35 un dispositif de contrôle d'écoulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Appareillage de combustion selon la revendication 8, comportant un tube à flamme, caractérisé en ce que le conduit précité est agencé de manière à diriger de l'air à l'intérieur d' 40 une zone de combustion primaire à l'intérieur du tube à flamme. 69 42224 ii 2027582 10. Appareillage de combustion selon la revendication 9, carac térisé en ce qu'un injecteur de carburant est disposé coaxiale- - ment à . 1'intérieur du conduit. 11. Appareillage de combustion selon la revendication 9 ou la 5 revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins une fraction de _ _1 ! air doit traverser un aubage de turbulence avant de pénétrer à l'intérieur de la zone de combustion primaire. 12. Appareillage de combustion selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le conduit dirige 10 aussi de l'air vers une zone de combustion secondaire à l'intérieur du tube à flamme. 13. Appareillage de combustion selon la revendication 8, carac térisé en ce que le conduit constitue une partie d'un tube de „.vaporisation. 15 14. Appareillage de combustion selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un injecteur de carburant est agencé de manière à envoyer du carburant à travers le restricteur vers l'aval (considéré dans la direction d'écoulement) du conduit. 15. Appareillage de combustion selon la revendication 14, ca-20 ractérisé en ce que le carburant est envoyé immédiatement en amont de la buse d'aspiration.'