Brevet FR2081220A1 — publié le 19711203

La présente invention a pour objet un dispositif d'injection d'un fluide dans un autre fluide et, plus particulièrement, un tel dispositif utilisé dans le systme de combustion des moteurs à turbine à gaz, ou turboréacteurs. Dans les chambres de combustion des moteurs à turbine à gaz, le mélange d'air et de combustible brûle dans la chambre de combustion7 dans une zone de combustion primaire et, en un certain point à l'aval de cette zone de combustion primaire, de l'air secondaire ou de dilution est introduit dans la chambre de combustion, en vue de refroidir les gaz de combustion chauds avant leur passage de la chambre de combustion jusque dans la turbine située à l'aval de cette chambre. Selon un mode de construction courant de ces chambres de combustion, certaines parties de leur paroi latérale se chevauchent, et il est ménagé entre ces parties qui se chevauchent des orifices annulaires périphériques par lesquels l'air de refroidissement est introduit dans la chambre, en direction longitudinale, et vient former une lame tubulaire contre la face intérieure de la paroi latérale de la chambre de combustion. I1 est prévu, dans la paroi latérale des chambres de combustion ainsi construites, des trous de section circulaire par lesquels de l'air de dilution secondaire est injecté dans la chambre, à l'aval de la zone de combustion primaire. Une telle injection d'air de dilution par des trous de section circulaire rompt la lame tubulaire d'air de refroidissement qui s'écoule le long de la paroi de la chambre de combustion, et tend à décoller cette lame de ladite paroi. Or, le Demandeur a observé que ce décollement pow- vait être réduit, et que l'on obtenait un meilleur mélange de l'air de dilution et des gaz chauds, en donnant aux orifices d'injection de l'air de dilution percés dans la paroi de la chambre de combustion une section de forme oblongue, et en inclinant le grand axe de cette section oblongue par rapport à l'axe longitudinal de la chambre de combustion. Ainsi, la présente invention a pour objet une chambre délimitant au moins une partie du trajet d'écoulement d'un premier fluide, la paroi latérale de cette chambre étant percée d'orifices par lesquels un deuxième fluide peut etre in jecté dans le premier, ces orifices ayant une section oblongue et étant orientas de façon que le grand axe de leur section droite soit incliné par rapport à l'axe de la chambre. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, la chambre qui en fait l'objet constitue la chambre de combustion, du système de combustion d'un moteur à turbine à gaz, et les orifices percés dans la paroi latérale de la chambre constituent des fentes par lesquelles est injecté l'air de dilution des produits de la combustion. lesdits orifices peuvent se présenter sous diverses formes ; leur section peut être par exemple rectangulaire, ovale ou en forme de coin, et le grand axe de leur section peut être incliné d'un côté ou de l'autre, par rapport à l'axe longitudinal de la chambre. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la chambre qui en fait l'objet peut constituer la chambre de combustion ou la tuyère d'éjection d'un turboréacteur ou d'un statoréacteur, le premier fluide introduit dans la chambre étant, suivant le cas, de l'air ou des gaz de combustion, le deuxième fluide etant, suivant le cas, un combustible liquide ou un combustible gazeux. Les orifices percés dans la paroi latérale de la chambre constituent alors des fentes d'injection d'un combustible. Cette forme d'application de l'invention convient particulièrement dans le cas où le premier fluide s'écoule dans la chambre à une vitesse supersonique. D'autre part, dans ce dernier cas, les fentes d'injection du combustible peuvent être inclinées d'un côté ou de l'autre par rapport à l'axe longitudinal de la chambre. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et- nullement limitatif et avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, construite conformément à l'invention, et comportant des orifices d'admission de l'air de dilution à section oblongue. Les figures 2 à 6 représentent diverses formes et diverses orientations qui peuvent être données aux fentes d'admission de l'air de dilution. La figure 7 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel les fentes portées par la paroi latérale de la chambre sont utilisées pour l'injection d'un combustible liquide ou gazeux dans un courant d'air ou de gaz qui s'écoule dans cette chambre. La figure 8 représente la forte prise par les filets d'air autour des fentes d'injection du combustible ; et La figure 9 représente une disposition possible de deux fentes d'injection conjuguées. Les figures 1 à 6 des dessins annexés représentent une chambre de combustion comportant une zone de combustion primaire 2, et dans laquelle de l'air de combustion primaire est introduit suivant la flèche 4, par un orifice axial 3. Un injecteur 5 projette le combustible à brûler dans la zone de combustion primaire 2 et, à l'aval de cette zone de combustion primaire, la chambre de combustion forme une zone de mélange 7 dans laquelle les produits de la combustion sont mélangés avec de l'air de dilution, qui les refroidit. Cet air de dilution et de refroidissement est introduit par des fentes 16 prévues sur la paroi latérale de la chambre de combustion9 et l'expérience a montré que l'emploi de telles fentes, dont le grand axe est incliné par rapport à celui de la chambre de combustion, permet d'cbtenir un meilleur mélange de l'air de dilution et des gaz de combustion qu'avec les orifices à section circulaire utilisés jusqu'ici. Des mesures de température faites dans une chambre de combustion pourvue de fentes d'injection inclinées les unes par rapport aux autres de 600 vers l'arrière, et telles que celles représentées par exemple sur la figure 2, ont été effectuées, de l'air chaud étant injecté par ces fentes. Ces nesures ont montré que, au lieu qu'il s'établisse à l'aval de l'injection deux seules fortes crêtes de température, comme c'est le cas lorsque les orifices d'injection ont une section circulaire, les réactions entre filets fluides à l'arrière des fentes d'in Section brisaient les jets injectés par ces fentes, ce qui provoque l'tallissement de plusieurs faibles crêtes de température dont certaines se situent très près de la paroi latérale de la chambre. Les résultats de ces mesures faites transversalement dans une injection d'air froid effectuée dans un courant de gaz chauds montrent clairement que l'air froid injecté est ramené à proximité de la paroi latérale de la chambre, et qu'il se rétablit ainsi rapidement, à l'aval des orifices d'injection, une lame tubulaire d'air de refroidissement qui colle à cette paroi. Outre celle introduite par les fentes 16, une autre quantité d'air de refroidissement injectée par des orifices annulaires 12 dirigés axialement crée une lame tubulaire 13 d'air de refroidissement qui colle aussi à la surface latérale intérieure de la chambre de combustion, Il a été également observé que l'injection d'air de dilution par des fentes inclinées a pour effet de ramener vers la paroi latérale de la chambre de combustion une partie de l'air de dilution, ce qui aide au maintien d'une lame tubulaire d'air de refroidissement contre la surface latérale intérieure de la chambre de combustion, et contribue aussi au refroidissement de cette chambre à l'aval des fentes 16.On obtient de ce fait une répartition beaucoup plus uniforme des températures à l'aval de deux fentes inclinés, par rapport à celle qu'il est possible d'obtenir à l'aval d'orifices d'injection de section circulaire. Les fentes d'injection peuvent avoir diverses formes, ainsi qu'on le voit sur les figures 2 à 6, pourvu-que leurs axes 14 soient inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la chambre de combustion. Ces fentes peuvent être inclinés par paires en sens opposés (figure 2) ou bien peuvent être toutes inclinées dans le même sens (figure 3). D-'autre part, plusieurs couronnes de fentes d'injection échelonnées en direction axiale peuvent être prévues, ainsi qu'on le voit en 18 et 19 sur la figure 3. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 7, 8 et 9, la chambre conforme à l'invention constitue la tuyère de réchauffage d'un turboréacteur ou d'un statoréacteur. Cette chambre est équipée d'injecteurs de combustible 2 dont l'orifice d'éjection est en forme de fente dont l'axe est incliné par rapport à celui de la chambre, et la pression d'injection est telle que le jet 3 de combustible pénètre dans le courant d'air 5 qui circule dans la chambre tout en étant rabattu vers l'aval, mais en demeurant écarté de la paroi latérale de la chambre. De la sorte, le courant d'air peut s'introduire entre la paroi latérale de la chambre et le jet de combustible. Chacun des orifices d'éjection en forme de fente fournit un jet ou ruban de combustible 3 qui s'écarte de la paroi latérale 1 de la chambre et qui est complètement environné par le courant d'air, ce qui a pour effet l'établissement d'une large surface de frottement entre l'air et le combustible, et par conséquent l'obtention d'un bon mélange des deux fluides. Le courant d'air 5 qui passe autour du ruban de combustible 3 se divise en deux branches qui se réunissent ensuite à l'aval de l'injecteur 2, dans l'espace 6 qui sépare de la paroi 1 le ruban de combustible 3. La figure 8 représente schématiquement la forme des filets d'écoulement de l'air et du combustible aux abords de l'orifice 8 en forme de fente par lequel le combustible est injecté dans le courant de fluide, le grand axe de .cet orifice étant incliné d'un angle 9 par- rapport à l'axe de la chambre. La figure 9 représente enfin un mode de réalisation de l'invention dans lequel deux buses d'éjection oblongues 11 et 12 sont placées à une certaine distance 15 l'une de l'autre, leurs axes faisant respectivement des angles 13 et 14 avec l'axe longitudinal de la chambre. On notera que les orifices d'éjection des figures 7, 8 et 9 peuvent avoir les diverses formes et les diverses orientations relatives décrites en se référant au premier exemple de réalisation de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes .conformes à son esprit. REVENDICA?IONS 1 - Dispositif d'inåection d'un. fluide dans un autre fluide, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre délimitant au moins en partie, le trajet d'un premier fluide, et dont la paroi latérale est percée d'orifices par lesquels un deuxième fluide peut être injecté dans le premier, ces orifices ayant une section de forme oblongue, et étant orientés de façon que leur grand axe soit incliné par rapport à l'axe longitudinal de la chambre. 2 - Chambre selon la Revendication 1, constituant la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, caractérisée par le fait que lesdits orifices constituent des fentes par lesquelles de l'air secondaire ou de dilution est injecté dans la chambre de combustion, à l'aval d'une zone de combustion primaire. 3 - Chambre selon la Revendication 1 ou la Revendication 2, constituant la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, caractérisée par le fait que lesdits orifices sont des fentes par lesquelles est injecté dans la chambre un combustible liquide ou gazeux. 4 - Chambre selon l'une des Revendications précédentes, caractérisée par le fait que les orifices sont régulièrement répartis sur une même circonférence, pour constituer une seule et même couronne, et sont inclinés alternativement d'un côté et de l'autre par rapport à l'axe longitudinal de la chambre. 5 - Chambre- selon l'une des Revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'il est prévu une pluralité de couronnes échelonnées en direction axiale. 6 - Chambre selon l'une des Revendications précédentes, caractérisée par le fait que les orifices ont une section de forme générale rectangulaire. 7 - Chambre selon l'une des Revendications précédentes, caractérisée par le fait que les orifices ont une section triangulaire en forme de coin. 8 - Chambre selon-l'une des Revendications précédentes, caractérisée par le fait que les orifices ont une section de forme elliptique ou ovales