Brevet FR2106485A1 — publié le 19720505

1. 2106485 La présente invention concerne une chambre de combustion sans fumée, en particulier pour empêcher la formation de fumée noire dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz. La combustion complète sans fumée dans une chambre de com-5 bustion de turbine à gaz dépend de la zone primaire de l'appareil de combustion. Les appareils de combustion du type classique en forme de boîte ont une configuration bien définie parce que la zone primaire est établie en considérant spécialement le rendement de la combustion, la chute de pression et la stabilité de 0 la combustion, en plaçant des plaques de déflexion pour stabiliser la flamme autour de l'injecteur de carburant et en utilisant différentes ouvertures périphériques pour l'envoi d'air de combustion (souvent avec des tubes et des éléments de guidage en godets ou palettes pour améliorer les caractéristiques d'écou-5 lement de l'air de combustion) et en mélangeant les particules du carburant projettées par l'injecteur, ce mélange étant allumé par une bougie d'allumage électrique. Dans un appareil de combustion de ce type, le mélange des particules de carburant injecté avec une configuration conique avec l'air de combustion est 0 insuffisant et l'air nécessaire pour la combustion est en quantité trop faible dans la zone de combustion voisine de l'injec-teur, ce qui se traduit par un mélange riche en carburant et, par suite, par une combustion incomplète avec formation de carbone qui est la cause des fumées. L'appareil du type à plaques 5 de déflexion donne de bons résultats pour l'allumage et la stabilité de la f 1 anima mais il produit de la fumée en raison d'un rapport air/carburant insuffisant. Sur la fig. 2, 103 est une plaque déflectrice de stabilisation de flamme, A est la zone primaire, B la zone secondaire et C la zone de dilution. 0 Dans certains types connus d'appareils de combustion pour moteurs à réaction, on prévoit soit un dispositif de turbulence ou de tourbillonnement 101 à ailettes inclinées (fig. la, 1b, 1c^), soit tin dispositif de turbulence 102 à ailettes radiales. Ce dispositif est placé autour de l'injecteur de carburant de 5 façon que l'air s'écoulant dans la partie amont de la zone primaire reçoive un mouvement tournant et que l'angle d'injection des particules de carburant ne soit pas réduit, le mélange des particules de carburant étant amélioré en provoquant une circulation au sein des courants d'air provenant d'autres orifices 0 situés latéralement dans la zone primaire. Dans un appareil de 71 31121 a 2106485 ce type, bien qu'il soit possible d'augmenter la quantité d'air pour la combustion sans provoquer une diminution nette de la chute de pression et avec amélioration du mélange, l'augmentation de la quantité d'air se traduit par des difficultés pour l'al-5 lumage et pour la stabilité de la combustion et par une distribution peu satisfaisante des températures à la sortie du fait de l'étalement de la flamme vers le côté aval de la chambre de combustion, ce qui détruit l'équilibre entre les différentes caractéristiques essentielles pour différents appareils de combustion. 10 De plus, un appareil de ce type produit une quantité considérable de fumée noire parce que le dispositif de turbulence et les entrées d'air secondaire sont prévus pour la stabilité de la combustion, le rendement de la combustion et la température voulue à l'échappement, mais non dans le but d'empêcher la fumée. 15 La suppression de la fumée est donc incompatible avec la stabilité de la combustion, l'augmentation de la chute de pression et l'étalement de la flamme. Il est par suite nécessaire d'obtenir un meilleur équilibre pour les caractéristiques globales des appareils de combustion. 20 La présente invention a pour objet un appareil de combus tion du type sans fumée, avec réduction de la fumée au point qu'elle soit invisible dans toutes les conditions de fonctionnement sans réduction importante des performances de la turbine à gaz, de façon à tenir compte des réglementations récentes con- 25 cernant la pollution de l'air. Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, les conditions pour une combustion complète sans fumée sont les suivantes s (1) augmentation de la quantité d'air de combustion au-dessus du rapport normal air/carburant (13/1) dans la zone pri- 30 maire, pourvu qu'il n'y ait pas de soufflage ni d'augmentation de la chute de pression ; (2) un mélange intime des particules de carburant et de l'air afin qu'il n'existe pas de zones riches en carburant dans la zone primaire ; 35 (3) l'établissement d'un mouvement tournant des particules de carburant parce qu'une augmentation de la pression dans le cylindre intérieur peut provoquer une diminution de l'angle d'injection à l'injecteur de carburant, et par suite une augmentation de la fumée noire. 4-0 Pour satisfaire à ces trois conditions, l'invention utilise 71 31121 3. 2106485 un choix convenable d'ailettes de turbulence, du nombre et de la forme des entrées d'air secondaire qui commandênt l'écoulement de l'air de combustion à partir des côtés de la zone primaire, et une combinaison de ces deux caractéristiques. 5 Si la rotation des particules de carburant et du courant d'air par le dispositif de turbulence est convenable, et si l'air est introduit en quantité convenable et dans une direction convenable à partir des côtés de la chambre de combustion, une circulation stable est établie. Le mélange des particules de 10 carburant à l'air est amélioré, la flamme est fixée dans un courant de circulation stable sans être soufflée et, par suite, la fumée est réduite parce qu'en raison de la circulation continue, le temps de séjour des particules de carburant dans la zone de combustion est augmenté et le carburant échappe rare-15 ment à l'état non brûlé. Si la meilleure combinaison d'ailettes de turbulence et du nombre et de la forme des entrées d'air secondaire peut être trouvée, il est ainsi possible d'établir un appareil de combustion sans fumée produisant des gaz d'échappement à teneur faible en fumée et ayant de bonnes caractéris-20 tiques de fonctionnement, sans aucune diminution de la stabilité de combustion. A la suite des études basées sur ces conditions, dix combinaisons avec quatre angles & d'inclinaison des ailettes de turbulence de 60°, 55° > 4-5° et 30°, et trois à six entrées 25 d'air secondaire de longueurs différentes ont été essayées. Les quatre meilleures combinaisons d'ailettes de turbulence et d'entrées secondaires ont été choisies de la façon décrite ci-après, parmi ces dix combinaisons. L'invention est caractérisée par un injecteur de carburant 30 comportant un dispositif de turbulence avec un angle d'inclinaison des ailettes de 50° à 60° et débouchant dans la direction axiale du cylindre intérieur de la chambre de combustion, les entrées d'air secondaire étant placées en trois positions circulairement à travers la paroi du cylindre intérieur pour dé-35 boucher perpendiculairement à l'axe de la chambre de combustion. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : Fig. 1a, 1b, 1c_ et 1d représentent schématiquement trois 40 types de dispositifs de turbulence montés autour de l'injecteur 71 31121 4. 2106485 de carburant, comme décrit ci-dessus ; Fig. 2 représente schématiquement un cylindre de combustion classique comportant des plaques stabilisatrices de flammes (déflecteurs) disposées autour de l'injecteur de carburant ; 5 Fig. 3 est une coupe schématique d'une partie d'un appareil de combustion selon un mode de réalisation de l'invention ; Fig. 4 représente graphiquement les résultats de mesure de quantité de fumée au cours d'essais de combustion sous pression; et 10 Fig. 5 représente graphiquement les relations entre la pression de combustion et la densité de la fumée pour différents angles des ailettes de turbulence. Ainsi qu'il a été expliqué ci-dessus, les fig. 1a, 1b, 1 La fig. 3 représente une partie d'un appareil de combustion 10 selon l'invention comportant un injecteur de carburant 1 débouchant axialement dans la chambre cylindrique 11 de combustion, cet injecteur étant monté à l'extrémité amont de la zone pri-20 maire, un dispositif de turbulence ou de tourbillonnement 2 de l'un des types représentés sur les figures 1a à 1d étant monté autour de l'injecteur. L'appareil 10 comporte trois orifices 3 d'entrée d'air secondaire, formant un premier groupe circulaire, à travers la paroi cylindrique de la chambre de combustion et 25 trois orifices d'entrée d'air secondaire formant un second groupe circulaire à travers la paroi cylindrique. ïous ces orifices débouchent perpendiculairement à l'axe de la chambre de combustion et sont équipés d'un ajutage ou tubulure 5« Les entrées d'air 4 du second groupe sont disposées en 30 alignement «tH al sur les mêmes génératrices que les entrées d'air du premier groupe, ou bien sont décalées en étant disposées sur des génératrices intermédiaires entre les génératrices portant les entrées du premier groupe pour améliorer le mélange des particules de carburant et d'air dans la zone secondaire. 35 Les ailettes de turbulence du dispositif 2 sont soudées et font un angle de 50° à 60° avec l'axe de l'injecteur. Celui-ci comporte des entrées d'air froid 8 pour son refroidissement. Dans l'appareil décrit ci-dessus, l'air comprimé envoyé à travers le dispositif de turbulence 2 s'écoule le long de la 40 surface intérieure évasée formant l'extrémité amont du cylindre 71 31121 5- 2106485 de la chambre de combustion, avec formation de courants tournants 6 qui entraînent les particules de carburant. La pression statique est ainsi supérieure près de la paroi de la chambre de combustion et plus faible dans la partie médiane de la chambre. Par 5 ailleurs, les courants d'air échappant des entrées d'air secondaire 3> qui sont d'une longueur, d'un diamètre et en nombre convenables pour l'appareil considéré, s'écoulent vers la partie médiane dans laquelle la pression statique est plus basse pour traverser les courants tourbillonnaires 6 en établissant des 10 courants de circulation stables 7- Comme la flamme est station-naire du fait des courants de circulation stables, le temps de séjour des particules de carburant est augmenté et, par suite, la production de fumée noire est réduite. Les effets primaires décrits ci-dessus sont ainsi obtenus 15 en utilisant les entrées d'air secondaire 3 formant le premier groupe. Les entrées d'air secondaire 4 du second groupe ont pour fonction d'entretenir les courants de circulation 7 et d'améliorer le comportement de l'air mélangé pour la combustion des particules de carbone formées dans la zone primaire sans avoir été 20 brûlées. Comme il a été indiqué ci-dessus, un choix convenable de l'angle des ailettes de turbulence et du nombre, de la forme et des positions des entrées d'air secondaire empêche l'instabilité de la flamme, maintient un rapport air/carburant convenable dans 25 la zone primaire, améliore le mélange d'air et de carburant du fait des courants de circulation importants 7 et permet une réduction importante de la fumée. Dans le cas de chambres de combustion ayant une paroi cylindrique intérieure d'un diamètre de 300 à 400 mm, les meilleurs 30 résultats sont obtenus avec un angle de 50° à 60° pour les ailettes de turbulence, trois entrées d'air 3 pour le premier groupe, distribuées à 120° les unes des autres, et trois entrées d'air secondaire 4 pour le second groupe avec un décalage de 50° par rapport aux entrées du premier groupe, les entrées d'air ayant 35 une longueur de 45 mm. Si le diamètre du cylindre de la chambre de combustion est supérieur, la longueur des entrées d'air secondaire doit être augmentée proportionnellement. Un angle d'inclinaison des ailettes et un nombre d'entrées d'air incorrects peuvent provoquer une rupture de l'équilibre entre les courants 40 tourbillonnaires 6 et les courants de circulation 7 et, par 71 31121 s. 2106485 suite, de mauvaises conditions de combustion. la fig. 4 représente graphiquement les résultats d'essais pour quatre exemples d'appareils à deux rangées d'entrées d'air secondaire et à dispositif de turbulence selon l'invention par 5 comparaison aux résultats des essais effectués avec un appareil de combustion du type à déflecteur et avec un appareil de combustion du type sans fumée à déflecteur de types antérieurs. Sur la fig. 4 l'indice de fumée Backarach IFB, c'est-à-dire un nombre représentatif de la quantité de fumée à l'échappement, (qui 10 est un moyen pouf comparer la quantité de carbone restant après l'aspiration d'une quantité définie de gaz d'échappement dans un filtre placé à l'intérieur de l'échappement par rapport à une quantité standard) est porté en ordonnées et la température dans l'appareil de combustion, qui est fonction du rapport carburant/ 15 air, est portée en abscisses en °0. Par comparaison avec l'appareil de combustion du type sans fumée à déflecteur, l'indice IFB d'un appareil de combustion selon l'invention est inférieur à la moitié de l'indice de l'appareil à déflecteur. La pression de travail est de 3 kg/cm . Les courbes E et F montrent les in-20 dices de fumée pour des appareils classiques à déflecteurs. Les appareils de combustion représentés par les courbes A, B, C et D de la fig. 4 ont les caractéristiques de construction suivantes, les appareils étant désignés par les numéros des courbes. 25 Appareil A. Angle d'inclinaison a des ailettes de turbulence 50° à 50°, trois entrées d'air secondaire 3 pour le premier groupe, à 120° les unes des autres et trois entrées d'air secondaire 4 pour le deuxième groupe, ces entrées d'air étant sur les mêmes génératrices que les entrées du premier groupe. Cette combinai-30 son peut provoquer une quantité relativement importante de fumée mais sans instabilité, telle qu'un soufflage. Appareil B. Angle d'inclinaison a des ailettes de turbulence, 50° à 60°, trois entrées d'air secondaire 3 pour le premier groupe, à 120° les unes des autres et trois entrées d'air secon-35 daire 4 pour le second groupe sur des génératrices décalées par rapport aux génératrices pour le premier groupe. Avec cette combinaison, la production de fumée est plus faible que pour l'appareil A. Appareil C. Angle d'inclinaison a des ailettes de turbulen-40 ce, 50° à 50°, et même nombre et agencement d'entrées d'air se ?1 31121 7- 2106485 condaire que dans l'appareil A, mais chaque entrée d'air comportant une tubulure 5a coupée en sifflet (fig. 3) et disposée pour déboucher vers l'amont dans la chambre de combustion. Avec cette construction, les caractéristiques de combustion et de soufflage 5 sont améliorées, et la production de fumée est réduite. Appareil D. Angle d'inclinaison a des ailettes de turbulence, 50° à 60°, le nombre et la disposition des entrées d'air secondaire étant les mêmes que dans l'appareil A, et l'ouverture dans la zone de dilution étant inférieure à celle de l'appareil 10 A avec une chute de pression un peu supérieure. Il en résulte une quantité la plus faible de fumée mais une distribution peu satisfaisante des températures à la sortie. Dans les quatre appareils ci-dessus l'angle d'inclinaison a est de 50° à 50°. Avec cet angle, il est possible de réduire la 15 fumée noire dans toutes les conditions de charge en raison de l'augmentation atténuée de la densité de la fumée quand la charge augmente (augmentation de la pression et de la quantité de carburant) dans une turbine à gaz. La fig. 5 représente graphiquement la relation entre la 2 20 pression de combustion, exprimée en kg/cm en abscisses, eb l'indice de fumée IFB en ordonnées pour différents angles d'inclinaison a des ailettes de turbulence. Dans un appareil classique à déflecteur, courbe G, et dans des appareils comportant, en plus, un dispositif de turbulence dont les ailettes ont un angle 25 a de 30°, courbe H, ou 45°, courbe I, on constate une augmentation nette de l'indice de fumée quand la pression augmente. Au contraire, avec un appareil selon l'invention, courbe J, l'indice de fumée reste inférieur aux précédents et augmente moins vite. 30 Dans un cinquième type en rapport avec les exemples ci- dessus pour les appareils A à D, comportant des ailettes de turbulence inclinées de 50° à 60°, des dispositifs .de turbulence différents des types représentés sur les figures 1a, 1b et 1£ et avec des entrées d'air décrites ci-dessus, les caractéristi-35 ques de stabilité de la combustion et de réduction des fumées sont supérieures. Un appareil de combustion selon l'invention tel que décrit ci-dessus comporte donc l'une des combinaisons suivantes : 1) un dispositif de turbulence avec des ailettes inclinées 40 de 50° à 60° autour de l'injecteur de carburant et des entrées 71 31121 8. 2106485 d'air secondaire à travers la paroi de la chambre de combustion cylindrique en au moins trois positions réparties circulairement autour de cette paroi, les entrées d'air secondaire comportant des éléments tubulaires avec des ouvertures de sortie en sifflet 5 orienté vers l'amont dans la chambre de combustion, le dispositif de turbulence comportant un déflecteur conique à la base des ailettes de turbulence, ces ailettes étant montées autour de l'injecteur et étant combinées avec les entrées d'air secondaire. 2) un dispositif de turbulence avec des ailettes inclinées 10 de 50° à 60° autour de l'injecteur de carburant, les entrées d'air secondaire étant disposées dans trois ouvertures formant une première rangée à travers la paroi de la chambre de combustion et dans trois ouvertures formant une seconde rangée d'entrées d'air secondaire, les trois entrées d'air de la seconde 15 rangée étant disposées à travers la paroi de la chambre de combustion pour qu'elles soient décalées dans le sens circulaire par rapport aux trois entrées d'air secondaire du premier groupe, les extrémités des entrées d'air tubulaires étant coupées en sifflet orienté vers l'amont dans la chambre de combustion 20 cylindrique, le dispositif de turbulence comportant un déflecteur conique à la base des ailettes et les ailettes étant disposées autour de l'injecteur de carburant pour coopérer avec la combinaison des entrées d'air secondaire. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limita-25 tive et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 71 31121 9. 2106485 REVENDICATIONS 1. Appareil de combustion sans fumée pour une turbine à gaz, caractérisé par un injecteur de carburant comportant un dispositif de turbulence avec des ailettes inclinées de 50° à 5 50° sur l'axe de l'injecteur, réparties autour de l'injecteur et débouchant axialement dans la chambre de combustion, et au moins trois entrées d'air secondaire disposées à travers trois ouvertures de la paroi de la chambre de combustion et débouchant dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de la 10 chambre de combustion. 2. Appareil de combustion selon la revendication 1, caractérisé par au moins trois entrées tubulaires pour l'air secondaire disposées en aval de l'injecteur de façon à créer des courants de circulation traversant le courant turbulent provoqué 15 par l'injecteur et le dispositif de turbulence à ailettes inclinées. 3. Appareil de combustion selon la revendication 2, caractérisé par un second groupe d'au moins trois entrées tubulaires d'air secondaire en aval par rapport au premier groupe, poux 20 compléter l'action du premier groupe, ces entrées additionnelles étant en alignement avec les précédentes ou décalées angulaire-ment par rapport à elles. 4-. Appareil de combustion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les entrées pour l'air secondaire 25 sont orientées d'une façon sensiblement perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion, et les extrémités intérieures de ces entrées tubulaires sont coupées en sifflet orienté vers l'amont dans la chambre de combustion.