Brevet FR2103621A1 — publié le 19720414

La présente invention concerne les gicleurs pour carburant et plus particulièrement le perfectionnement des gicleurs utilisés dans les moteurs à turbines à gaz. Un moteur à turbine à gaz comporte habituellement des gi-5 cleurs, chacun projetant des gouttelettes de carburant suivant un cône unique ou deux cônes concentriques à l'intérieur de l'appareil de combustion du moteur. Chaque gicleur comporte habituellement une tète de projection s'étendant axialement comportant un orifice unique ou deux orifices concentriques et dépassant à tra-10 vers une paroi amont de l'appareil dans la chambre de combustion. Dans ces conditions, la tête de projection du gicleur est exposée aux températures extrêmement élevées, aux variations de pression et aux écoulements de recirculation de l'appareil de combustion, la combinaison de ces effets pouvant se traduire par le dépôt de 15 particules de carburant et la formation de charbon ou de cqke sur les surfaces exposées de la tête de projection. Pour minimiser ce dépôt ou accumulation, il est courant de former un écran pour diriger un courant d'air de balayage fourni par le compresseur sur les surfaces exposées de la tête de projection. Cependant, dans 20 le cas des moteurs à taux élevé de pression, l'air disponible dans ce but peut être à une température élevée, de sorte qu'il est désirable que la tête de projection soit isolée de cet air. De plus, ces combinaisons d'écrans antérieurs bien que minimisant efficacement dans de nombreux cas les accumulations au .voisinage 25 immédiat de l'orifice ou des orifices d'échappement, ont tendance à provoquer l'accumulation de charbon ou de coke sur les surfaces exposées de cet écran. Avec les dispositifs formant des écrans utilisés jusqu'ici une autre difficulté résulte de la nature fragile du cône de car-30 burant pulvérisé et de la possibilité que ce cône soit fermé ou rétréci par le courant d'air de l'écran. Dans ce cas, des poches trop riches en carburant peuvent se former et provoquer les fumées visibles dans les produits de combustion. La présente invention a pour objet une tête de projection 35 pour gicleur de carburant ne présentant pas les inconvénients précités. D'une façon générale, un gicleur selon l'invention comporte une surface support annulaire s'étendant axialement sur le pourtour de la tête de projection à côté de son extrémité aval. Un 71 19556 2 2103621 écran annulaire est télescopé sur la téte et définit avec celle-ci un espace d'air isolant annulaire entre les extrémités de l'écran. L'extrémité amont de l'écran est fixée rigidement à la tête et son extrémité aval entoure avec ajustage étroit la surface support de 5 la tête pour fermer l'extrémité aval de l'intervalle d'air et permettre un mouvement axial relatif libre entre la tête et l'écran pour les dilatations et les contractions thermiques différentielles pendant le fonctionnement du moteur. Un manchon annulaire est monté télescopiquement à son extrémité amont sur l'écran et le 10 manchon définit avec l'écran et la tête un passage d'air annulaire s'étendant d'une façon générale axialement. La tête de projection comporte un orifice annulaire de longueur axiale faible qui se termine par une surface de guidage tronconique ouverte du côté aval et qui s'étend jusqu'à l'extrémité aval de la tête. La surfa-15 ce périphérique extérieure de la tête diverge vers l'extrémité aval pour former avec la surface de guidage un bord amont relativement aigu. La surface intérieure du manchon diverge vers l'extrémité aval et définit une sortie divergente pour le passage, pour projeter de l'air formant un écran sous la forme d'un cône 20 creux autour du carburant pulvérisé au voisinage immédiat du carburant pulvérisé et parallèle à celui-ci. Plusieurs nervures espacées circulairement et s'étendant axialement dépassent radialement de la surface extérieure du manchon pour maintenir celui-ci espacé de la paroi de l'appareil de combustion traversée par le man-25 chon afin d'établir un courant en forme de film le long de la surface extérieure du manchon. La.surface extérieure du manchon converge vers l'extrémité aval de préférence avec une courbure aérodynamique, et elle définit avec la surface intérieure divergente un bord aval de dimension radiale faible afin que l'écou-30 lement en film soit efficacement dirigé vers le bord aval du manchon sans décollement. Les surfaces extérieures exposées du manchon sont réduites au minimum et l'extrémité aval de la tête est protégée du fait que le manchon se termine dans un plan peu espacé en amont du plan de l'extrémité aval de la tête. La dimension 35 . radiale des nervures est faible par rapport à la dimension radiale du passage pour l'air formant écran afin que l'air échappant de ce passage fasse tourner le film au bord aval du manchon pour empêcher que le rilm ne referme l'angle de pulvérisation. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus 71 19556 3 2103621 particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : La ligure 1 est une coupe d'une partie d'un moteur à turbine à gaz comportant un gicleur de carburant selon un mode de 5 mise en oeuvre de l'invention, et La figure 2 est une coupe à grande échelle de l'extrémité de projection du gicleur de la figure 1, La figure 1 représente un appareil de combustion 10 à combustion continue d'un type convenable, cet appareil de combustion 10 comportant un corps creux 12 formant une chambre de combustion 14. Le corps creux 12 comporte une extrémité amont en dême 16 et sa forme peut être annulaire, cylindrique ou une combinaison des deux. Dans le cas d'une forme annulaire, l'extrémité en dôme 16 15 comporte plusieurs ouvertures 18 espacées circulairement, chacune communiquant avec un conduit convenable 20 adapté pour envoyer dans la chambre 14 au moins une partie de l'air nécessaire pour la combustion du carburant et pour diluer les produits gazeux de combustion. Le conduit 20 est fixé au corps creux 12 en 22, par 20 exemple par des soudages ou d'une autre façon convenable, et il s'étend en amont de l'ouverture 18 et se termine par une bride radiale 24. Le corps creux 12 peut comporter un certain nombre de passages 26 pour de l'air de refroidissement établissant une couche 25 limite de protection d'air de refroidissement le long des surfaces intérieures du corps creux et un certain nombre de trous de dilution 28 pour le passage du reste de la quantité nécessaire d'air de combustion et de dilution. Le corps creux 12 peut être enfermé dans une enveloppe 30 convenable 30 ayant un passage d'extrémité avant 32 communiquant avec une source d'air sous pression, par exemple l'extrémité de refoulement d'un compresseur de moteur à turbine à gaz. Un diffuseur d'entrée 34 peut être utilisé pour diriger l'air comprimé du passage 32 vers les ouvertures 18, les passages d'air 35 de refroidissement 26 et les passages d'air de dilution 28. Le diffuseur d'entrée 34 est fixé au corps creux 12 et s'étend dans la direction amont à partir de celui-ci pour établir une chambre 36 avec un passage 38 pour l'arrivée de l'air comprimé dans cette chambre. 71 19556 4 2103621 Les dimensions de l'enveloppe extérieure 30 sont choisies I par rapport au diffuseur d'entrée 34 et au corps creux 12 pour établir des passages annulaires 40 et 42 qui servent en partie à diriger l'air comprimé du passage 32 vers les passages d'air 5 de refroidissement et de dilution 26 et 28. Un gicleur 44 est monté dans chaque ouverture 18, et il comporte une entrée 45 reliée à une source de carburant sous pression et une extrémité de projection 46 pour l'établissement de deux jets coniques de forme générale creuse, concentriques de 10 gouttelettes de carburant pulvérisé, de la façon représentée en 48 et 49, autour de l'axe 51 de pulvérisation du carburant. Chaque gicleur 44 est fixé d'une façon convenable à l'enveloppe extérieure 30, par exemple de la façon représentée en 50, et il traverse vers l'intérieur l'enveloppe 30 et le diffuseur d'en-15 trée 34 pour se terminer par l'extrémité de projection 46. Un élément convenable 52 est fixé à la bride 24 pour fermer l'extrémité amont du conduit 20 et la chambre de combustion 14. L'extrémité de projection 46 s'étend dans la chambre de combustion 14 à travers une ouverture 54 de l'élément de fermeture 52. 20 Sur la figure 2, l'extrémité de projection 46 du gicleur 44 est représentée comprenant un corps principal 56, une tète de projection 58, un écran 60, un manchon 62, un élément primaire de gicleur 64 et un élément secondaire de gicleur 67. Le corps principal 56 comporte un passage primaire 57 pour 25 le passage du carburant sous pression de l'entrée 45 à l'élément de gicleur 64 qui comporte plusieurs fentes de tourbillonnement 66 réparties circulairement pour provoquer un mouvement tourbillon-naire du carburant avant son échappement à travers l'orifice primaire 68 qui produit le cône primaire de carburant pulvérisé 49. 30 Le corps principal 56 comporte aussi des passages secondaires 70 pour l'arrivée du carburant sous pression vers plusieurs fentes radiales de tourbillonnement espacées 72 qui sont définies par l'élément de gicleur 67 coopérant avec la tête de projection 58. Le carburant à mouvement tourbillonnaire sortant des fentes 72 est 35 dirigé vers un orifice secondaire 74 formé dans la tête de projection 58, cet orifice ayant une longueur axiale relativement faible. L'orifice 74 est prolongé par une surface de guidage tronconique débouchant dans la direction aval 76 et qui s'étend jusqu'à l'extrémité aval 78 de la tête de projection pour diriger le carburant eoPY 71 19556 5 2103621 tourbillonnaire sortant par l'orifice 74 vers l'extrémité 78 sous la forme d'un film coniaue de carburant adhérant à cette surface et ayant un angle au sommet approximativement égal à l'angle au sommet désiré pour le cône de carburant pulvérisé 48. 5 La tête de projection comporte une partie amont tubula,ire 80 qui est télescopée sur le corps principal 56 et qui est connectée à ce corps, de préférence à l'extérieur de la chambre 14 et en amont de l'élément de fermeture 52, par exemple par soudagi par assemblage vissé ou d'une autre façon convenable. 10 La surface extérieure de la tête de projection 58 est dive: gente de la façon représentée en 82 jusqu'à son extrémité aval 7! pour former un bord aval relativement aigu ou à dimension radial* faible pour minimiser la possibilité d'accumulation de charbon ou de coke sur ce bord. Par exemple, il a été constaté qu'une 15 dimension radiale comprise entre 0,38 et 0,64 mm pour, un diamètre intérieur d'environ 12,7 mm permet un fonctionnement satisfaisant L'écran 60 représenté a une forme générale annulaire entourant la tète de projection 58 pour établir un intervalle d'air annulaire 84 s'étendant dans la direction axiale sur une partie 20 substantielle du pourtour de la tête de projection pour isoler celle-ci du fluide à haute température circulant autour de la tête. Cet écran est fixé à son extrémité amont à la tête par une soudure 86 ou par une brasure ou un autre moyen convenable. L'extrémité aval de l'écran 60 s'étend en contact glissant 25 à l'intérieur d'une surface support annulaire 88 formée sur le pourtour extérieur de la tête de projection 58 près de son extrémité aval 78. L'extrémité aval de l'intervalle d'air isolant 84 est ainsi fermée sans empêcher les dilatations et les contraction! thermiques entre la tête de projection et l'écran. 30 Le manchon 62 est monté autour de 1'écran 60 entourant la tête de projection 58, et il est espacé radialement de l'écran poi établir un passage annulaire 90 dans une direction générale axial La surface intérieure du manchon diverge de la façon représentée en 94 vers son extrémité aval 96, et elle -f,orme avec la copy 7.1 19556 6 2103621 surface divergente 82 de la tête de projection une sortie divergente 98 pour l'échappement de l'air devant former un écran d'air sous la forme d'un courant conique creux entourant le jet 48 de carburant pulvérisé. L'angle au sommet du courant écran conique 5 est approximativement égal à l'angle de pulvérisation désiré du cône 48 afin de stabiliser le cône de carburant au voisinage du gicleur et de protéger ce cône contre les variations de la pression et les circulations inverses dans la chambre 14 risquant de briser le cône. 10 Le manchon 62 comporte plusieurs nervures 100 disposées dans la direction axiale et espacées circulairement d'une hauteur radiale faible par rapport à la dimension radiale du passage 90 pour maintenir le manchon centré en étant espacé de 1'ouverture 54 de l'élément de fermeture pour établir un écoulement sous la forme 15 d'un film mince à partir de la chambre 36, le long de la surface extérieure 102 du manchon. La surface extérieure 102 du manchon est convergente de la façon représentée en 104, de préférence avec une courbure aérodynamique, vers l'extrémité aval 96, pour réduire la dimension radiale du bord aval 96 en même temps pour diriger 20 efficacement le courant en film vers cette extrémité aval du manchon. En formant des nervures 100 d'une dimension radiale faible par rapport à la dimension radiale du passage d'air 90 l'écoulement en forme de film est suffisant pour le- balayage de la surface 25 102 et pour empêcher les accumulations de charbon et de coke sur cette surface, mais cet écoulement est suffisamment faible pour que le courant se mélange et soit tourné par le courant d'air écran relativement plus fort à l'extrémité aval du manchon, sans influer sur l'angle de pulvérisation du cône de carburant 48. A titre 30 d'exemple, une dimension radiale des nervures du manchon d'environ 0,38 mm à partir de la surface extérieure d'un diamètre d'environ 19 mm du manchon, avec un passage d'air écran d'une dimension radiale d'environ 11,5 mm permet un balayage satisfaisant sans influence nuisible sur l'angle de pulvérisation. 35 Comme le montre la figure 2, le bord aval 96 du manchon se trouve dans un plan parallèle au plan de l'extrémité aval 78 de la tête de projection et à une faible distance de ce plan dans la direction aval (par exemple de 0,125 à 0,38 mm). De cette façon, la superficie du manchon exposée aux gaz de combustion est réduite G opy 71 19556 7 2103621 au minimum et le bord 78 est protégé pendant la manutention de l'ensemble. En fixant la tête de projection 58, l'écran 60 et le manchon 62 les uns aux autres uniquement aux extrémités amont et 5 dans un emplacement espacé du milieu à haute température de la chambre de combustion 14, des dilatations et des contractions thermiques relatives peuvent avoir lieu entre ces éléments et des contraintes élevées sont évitées aux points de jonction. Comme le carburant arrivant par le passage 57 est à une 10 température relativement basse par rapport à la température de l'air présent dans la chambre 36 et à la température dans la chant bre de combustion 14, la tête de projection 58 est maintenue à des températures relativement basses par le courant de carburant traversant cette tête et passant le long de la surface de guidage 15 76, cet effet étant complété par la résistance thermique de l'intervalle d'air isolant 84. Il ressort de ce qui précède que la présente invention concerne une tête de projection pour gicleur de carburant caractérisée par un angle de pulvérisation stable et prévisible et 20 dans laquelle toutes les surfaces exposées aux conditions de fonctionnement sont balayées soit par de l'air soit par du carburant pour empêcher l'accumulation de charbon ou de coke et pour maintenir des températures basses dans la tête de projection. Bien que l'invention soit décrite ci-dessus en considérant 25 le cas d'un gicleur à deux cônes de pulvérisation, il doit être compris que l'orifice primaire 68 et l'élément de gicleur 64 peuvent être supprimés. De plus, bien qu'une combinaison particulière pour provoquer le mouvement tourbillonnaire du courant primaire et du courant secondaire de carburant soit représentée avec 30 utilisation de l'élément primaire et de l'élément secondaire de giclage 64 et 67, de nombreuses autres combinaisons connues peuvent être utilisées pour provoquer ce mouvement tourbillonnaire. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres 35 variantes sans que l'on sorte de son cadre. c0py 71 19556 8 2103621 REVENDICATIONS 1. Gicleur comportant une tête de projection dépassant dans la chambre de combustion à travers un élément de fermeture amont d'un appareil de combustion d'un moteur à turbine à gaz 5 comportant un corps creux formant une chambre de combustion et un élément de fermeture amont pour la chambre de combustion, le gicleur comportant un corps principal avec un passage d'entrée pour recevoir le carburant sous pression, caractérisé en ce que la tête de projection comporte un orifice se terminant par une 10 ouverture aval, une surface de guidage tronconique s'étendant jusqu'à l'extrémité aval de la tête de projection pour produire un jet creux de forme générale conique de gouttelettes de carburant dans la chambre de combustion, la surface extérieure de la tête de projection étant divergente vers l'extrémité aval pour 15 établir un bord relativement aigu à l'extrémité aval de la tête et la tête de projection comportant une surface support circulaire s'étendant axialement, un écran annulaire ayant une extrémité amont fixée à la tête de projection en amont de la chambre de combustion, et une extrémité aval traversant avec ajustage 20 glissant l'ouverture définie par la surface support, l'écran délimitant un espace d'air annulaire entre ses extrémités autour de la tête de projection, un manchon annulaire entourant télescopique-ment l'écran entourant la tête de projection et délimitant un passage d'air s'étendant d'une façon générale axialement par rapport 25 à l'écran et à la tête de projection, l'extrémité amont du manchon étant fixée à l'écran en amont de la chambre de projection et l'extrémité aval du manchon se trouvant dans un plan situé en aval à peu de distance de l'extrémité aval de la tête de projection, le manchon comportant des nervures distribuées circulaire-30 ment et dépassant radialement et pouvant coulisser dans l'ouverture de l'élément de fermeture de l'extrémité amont de la chambre de combustion pour maintenir un passage étroit entre la surface extérieure du manchon et l'ouverture de l'élément de fermeture, la surface intérieure du manchon étant divergente vers l'extrémité 35 aval et la surface extérieure du manchon étant convergente vers l'extrémité aval, afin que toutes les surfaces du gicleur exposées à la chambre de combustion soient balayées soit par du carburant soit par de l'air sans influer défavorablement sur l'angle de pulvérisation du carburant et que des températures basses soient 71 19556 9 2103621 maintenues pendant le fonctionnement dans la tête de projection. 2. Gicleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'orifice de la tête de projection est prolongé par la surface de guidage tronconique se terminant par une ouverture en aval, 5 cette surface tronconique ayant un angle au sommet approximativement égal à l'angle prédéterminé de pulvérisation, la surface de guidage ayant une longueur axiale substantielle par rapport à la longueur axiale de l'orifice, la surface intérieure du manchon conjointement avec la surface extérieure divergente de la tête 10 de projection définissant une ouverture de sortie annulaire divergente pour la sortie de l'air du passage correspondant afin que cet air soit parallèle et au voisinage immédiat du trajet désiré pour les gouttelettes de carburant projetées par le gicleur et la surface extérieure du manchon coopérant avec la surface inté-15 rieure divergente du manchon pour établir un bord aval relativement aigu à l'extrémité aval du manchon. 3. Gicleur selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'extrémité aval du manchon et l'extrémité aval de la tête de projection se trouvent respectivement dans des plans peu espacés 20 normaux à l'axe du gicleur. 4. Gicleur selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que la surface extérieure convergente du manchon est courbe pour établir un écoulement d'une façon générale aérodynamique du film de fluide circulant le long de la surface, la dimension radiale 25 des nervures étant substantiellement inférieure à la dimension radiale du passage d'air délimité par le manchon afin que le film de fluide se mélange de façon régulière avec l'écoulement conique du fluide échappant de l'ouverture divergente sans influer sur l'angle de pulvérisation du carburant.