Brevet FR2086476A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne les turbines à gaz et plus particulièrement un appareil de distribution de carburant et un brûleur pour de telles turbines» La distribution du carburant dans les brûleurs à combustion 5 continue du type couramment utilisé dans les turbines à gaz doit Stre assurée de manière à obtenir une combustion complète et efficace, c'est-à-dire en éliminant les poches trop riches en carburant dont la combustion provoque l'émission de particules de carbone ou de fumée visible. 10 La solution de ce problème est encore compliquée dans les turbines à gaz par les larges variations du débit de carburant et des températures et des pressions de l'air comburant que l'on rencontre en service normal, ainsi que par les caractéristiques nécessaires ou souhaitables du brûleur pour l'allumage et l'extinction 15 par appauvrissement. Il est courant d'utiliser des gicleurs d'atomisation utilisant la pression du carburant pour introduire par un petit orifice un cône simple ou double de carburant atomisé dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz. Un tel système présente de bonnes 20 caractéristiques d'allumage et d'extinction par appauvrissement, cependant,pour les débits élevés, de tels gicleurs ont tendance à produire des poches localisées trop riches en carburant et par conséquent des fumées visibles. D'autre part, les dispositifs d'a-tomisation et/ou de vaporisation du carburant utilisant l'énergie 25 d'un air comprimé, tel que l'air sortant du compresseur de la turbine à gaz, et/ou la chaleur du processus de combustion pour fournir un mélange carburant/air à la chambre de combustion peuvent, dans certaines installations, présenter des caractéristiques médiocres d'allumage ou d'extinction par appauvrissemento Ceci est du au fait 30 que le mélange carburant/air est exagérément pauvre ou dispersé pour les faibles débits de carburant, ou à l'insuffisance de l'énergie du processus de combustion ou de l'air comprimé, énergie qui est nécessaire pour obtenir 1'atomisation du carburant. En outre, les dispositifs d'atomisation et/ou de vaporisation couramment uti-35 lisés ont généralement l'inconvénient d'introduire le carburant dans le courant d'air en un point situé sensiblement en amont de la zone primaire de la chambre de combustion, ce qui, dans certains cas, 71 03120 2 2086476 favorise la propagation de la flamme *en amont de la chambre de combustion, les retours de flamme ou d'autres instabilités indésirables du front des flammes. La présents invention a donc pour objet principal un brûleur 5 pour chambre de combustion de turbine à gaz distribuant le carburant sous une forme extrêmement dispersée de façon à éliminer ou à réduire l'émission de fumées visibles résultant de la cambustion.Le brûleur continu de l'invention est caractérisé par sa stabilité de combustion et ses bonnes caractéristiques d'allumage et d'extinction 10 par appauvrissement sur une gamme étenduecfe conditions d'utilisation du moteur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un tel brûleur comprend une enceinte fermée par une paroi d'extrémité aval qui est percée d'un orifice de communication avec la chambre de 15 combustion. L'enceinte comprend une série d'aubes de turbulence disposées en une couronne annulaire pour diriger l'air comprimé vers l'intérieur de l'enceinte avec une composante tangentielle importante. Cette composante crée une masse d'air tourbillonnante dans l'enceinte et une décharge cyclûnique au niveau de son orifice 20 de sortie. Des dispositifs d'injection pulvérisent le carburant en direction des aubes. Les aubes sont décalées radialement à l'extérieur de l'orifice de sortie de façon que les plus grosses particules de carburant soient retenues dans l'enceinte par la force centrifuge jusqu'à ce qu'elles soient divisées en petites goutte-25 lettes atomisées qui peuvent alors être entraînées par le tourbillon cyclonique de sortie dans la chambre de combustion. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'injection de carburant produit également un cône pilote de carburant atomisé qui est directement introduit dans la chambre de 30 combustion pour améliorer ses caractéristiques d'allumage lorsque le régime du moteur est tel que le débit du carburant est faible ou que l'air sortant du compresseur n'a pas l'énergie suffisante pour l'atomiser convenablement. Le3 aubes de turbulence doivent de préférence se recouvrir de façon à empêcher que les giittes de carburant 35 passeit entre elles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-tiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels 8 71 03120 3 2086476 la figure 1 est une coupe axiale fragmentaire d'une turbine à gaz utilisant le distributeur dB carburant et le brûleur de 1'invention, la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1, 5 mais représentant un autre aspect de l'invention, la figure 3 est une coupe axiale agrandie d'une partie du gicleur d'injection de carburant de la figure 2, la figure 4 est une coupe transversale selon la ligne 4-4 de la figure 2. 10 Sur les dessins, les parties identiques sont désignées par les mêmes références. La figyre 1 représente un brûleur à combustion continue 10 pour turbine à gaz qui est monté à l'intérieur d'un carter 11 de cette dernière et comprend un corps creux 12 se terminant en amont 15 par une extrémité bombée 16 ayant une ouverture 18 pour recevoir le mélange carburant/air. Les spécialistes comprendront que la chambre de combustion 14 peut être de type annulaire, tubo-annulaire ou cylindrique, le dispositif 10 comportant dans ce cas plusieurs orifices 18 répartis circonférentiellement. 20 Un diffuseur 20 fixé de manière convenable à l'extrémité amont du corps creux 12 reçoit de l'air comprimé d'une source telle qu'un compresseur (non représenté). - Un distributeur de carburant 22 est monté sur l'extrémité amont du corps creux 12 et comprend un boîtier 24 délimité par 25 des cloisons amont et aval 26 et 28 séparées axialement. La cloison aval 28 comporte un orifice 30 communiquant avec la chambre 14 par son orifice d'entrée 18. Une couronne d'aubes 32 dirige l'air comprimé du diffuseur 20 vers l'intérieur du boîtier 24 pour y créer une masse d'air tourbillonnaire s'échappant en une décharge 30 cyclonique par l'orifice 30, comme représenté schématiquement en 34. Pour des raisons qui apparaîtront clairement dans ce qui suit, la couronne d'aubes 32 est décalée radialement vers l'extérieur de l'orifice 30 pour délimiter une chambre annulaire 36 comprise entre le bord radial interne 37 de chaque aube et l'ori-35 fice 30. Le dispositif permettant d'injecter du carburant à l'intérieur du boîtier 24 en direction des aubes 32 est représenté en 38 suc la figure 1 et comprend un dispositif d*atomisation dont la 71 03120 4 2086476 tête 40 est d'un type connu utilisant la pression du carburant pour produire un jet conique atomisé 42. La tête d*atomisation 40 traverse la cloison amont 26 du boîtier 24 et l'axe du cône atomisé est de préférence coaxial avec l'orifice de sortie 30. 5 Un autre aspect de l'invention est représenté sur les figures 2 et 3 sur lesquelles la tête d'atomisation 40 de l'injecteur 38 projette plusieurs jets radiaux 42 par des gicleurs 44 reliés à un passage de carburant 46 et, en outre, introduit un cône pilote 48 de carburant atomisé directement dans la chambre de combustion 10 14 au moyen d'un orifice 50 et d'un passage 52. La présence de ce jet pilote améliore considérablement les caractéristiques d'allumage et d'extinction par appauvrissement du brûleur 10. Ceci est particulièrement vrai dans les applications aéronautiques lorsque la turbine doit être rallumée en altitude dans des conditions où 15 l'énergie de l'air sortant du compresseur peut être insuffisante pour atomiser finement le carburant 42* Le boîtier 24 peut comporter un dispositif guidant l'air comprimé d'une manière efficace et sans turbulence à l'extérieur des aubes 32 de façon à renforcer le tourbillon intérieur. Par 20 exemple sur les figures 2 et 4, le boîtier peut comporter une paroi extérieure 52 qui relie les cloisons amont et aval 26 et 28 à l'extérieur des aubes 32. Dans la forme de la figure 4, la paroi extérieure 52 a la forme d'une développante ou d'une spirale et forme une entrée tangentielle 54 pour l'introduction de l'air 25 comprimé dans le boîtier. L'ensemble peut en outre comprendre un canal 56 qui se prolonge en amont du boîtier 24 et communique avec l'entrée 54 pour introdâre sans turbulence l'air comprimé dans l'appareil 22. On comprendra.cependant que ces moyens d'introduction de fluide peuvent faire l'objet de nombreuses variantes. 30 En service, l'air dont la pression totale est supérieure à celle qui règne dans la chambre 14, est dirigé radialeman t vers l'intérieur du boîtier 24 avec une composante de vitesse tangentielle importante par les aubes 32 pour créer une masse d'air tourbillonnaire dans la chambre annulaire 36 et une décharge 35 cyclanique 34 dans la chambre de combustion 14, par l'orifice 30. Le carburant est injecté dans la chambre annulaire 36 sous la forme d'un jet conique (figure 1), de plusieurs jets radiaux 71 03120 5 2086476 (figure 2) ou autrement, par le dispositif d'injection 38» Pendant l'introduction du carburant dans le boîtier 34, une partie des grosses particules liquides est fractionnée en petites gouttelettes atomisées par l'écoulement d'air tourbilbnnaire à grande vitesse. 5 Les grosses particules subsistant à l'intérieur du boîtier 24 sont projetées contre les aubes 32 par la force centrifuge créée par l'écoulement d'air tourbillonnaire. Le carburant est ensuite entraîné du bord interne 37 de chaque aube mouillée sous forme d'un brouillard 58 finement atomisé par l'air qui s'écoule le long de l'aube, comme 10 le montre la figure 4. Sur cette figure, on voit que les aubes 32 sont de préférence disposées avec un certain recouvrement, c'est-à-dire que le bord d'attaque 60 de chaque aube 32 recouvre circonfé-rentiellement le bord de fuite 37 de l'aube précédente, pour empêcher que le carburant soit éjecté ou centrifugé entre les aubes. 15 Du fait que les aubes 32 sont décalées radialement vers l'ex térieur par rapport à l'orifice 30, les grosses particules de carburant qui, si elles étaient introduites dans la chambre de combustion 14,provoqueraient une combustion locale trop riche, et par conséquent une émission de fumées, sont retenues par la force cen-20 trifuge en amont de la cloison avâl 28 jusqu'à ce que l'un des processus décrits ci-dessus les fractionne en gouttelettes suffisamment petites pour que leurs traînées surmontent les forces centrifuges et qu'elles soient entraînées par l'air tourbillonnaire 34 dans la chambre 14. L'expérience a montré que le brûleur de l'in-25 vention est extrêmement efficace pour régulariser le diamètre dés gouttelettes de carburant qui pénètrent dans la chambre de combustion 14. Dans les turbines à gaz dans lesquelles le débit de carburant varie très largement selon les régimes, le dispositif d'in-30 jection 38 peut délivrer une petite quantité de carburant sous forme d'un jet conique atomisé 48 directement à la chambre de combustion 14 pour améliorer les caractéristiques d'allumage et d'extinction par appauvrissement de la turbine. Le carburant étant introduit à proximité immédiate de la 35 chambre de combustion 14, les problèmes posés par les retours de flamme ou la propagation erratique des flammes en amont de la chambre de combustion sont éliminés. 71 03120 6 2086476 On voit d'après ce qui précède que la présente invention constitue un moyen nouveau et particulièrement efficace pour alimenter une chambre de combustion en un mélange air/carburant caractérisé par une grande dispersion de petites particules* Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre illustratif mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes variantes entrant dans son cadre et dans son esprit. 71 0312Q 7 2086476 Revendications 1. Dispositif de distribution du carburant dans une turbine à gaz caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier ayant un orifice de sortie et une couronne annulaire d'aubes directrices décalées 5 radialement à l'extérieur de l'orifice, les aubes étant destinées à diriger de l'air comprimé radialement vers l'intérieur pour créer dans le boîtier un écoulement tourbillonnaire d'air, ce dernier s'échappant Bn un tourbillon cyclonique par l'orifice de sortie, et un dispositif d'injection de carburant monté dans le 10 boîtier pour projeter du carburant radialement vers l'extérieur en direction des aubes de façon à le disperser en fines gouttelettes de diamètre régulier entraînées dans le tourbillon de sortie. 2. Distributeur de carburant selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif d'injection de carburant fournit 15 deux jets distincts, le premier étant dirigé dans une direction générale radiale vers lœ aubes et le second étant dirigé sensiblement axialement à travers l'orifice de sortie. 3. Distributeur de carburant sebn la revendication 1 caractérisé en ce que le boîtier comporte une cloison amont et une cloi- 20 son aval entre lesquelles les aubes sont disposées sensiblement axialement avec un certain recouvrement pour empêcher que le carburant ne s'échappe entre deux aubes. 4. Distributeur de carburant selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif d'injection coopérant avec l'écoule- 25 ment tourbillonnaire de l'air à l'intérieur du boîtier dépose sur les aubes au moins une partie du carburant qui est ensuite entraîné du bord radial intérieur de chacune des aubes mouillées par le courant d'air comprimé qui circule sur sa surface sous la forme d'une pulvérisation de gouttelettes suffisamment petites pour Stre 30 entraînées dans le mouvement tourbillonnaire, puis éjectées par l'orifice de sortie avec le tourbillon d'air. 5. Brûleur à combustion continue caractérisé en ce qu'il comprend un corps creux délimitant une chambre de combustion et comportant un orifice d'entrée, un boîtier ayant un orifice de 35 sortie en communication avec l'orifice d'entrée de la chambre, ledit boîtier comportant une série d'aubes directrices disposées sensiblement axialement en une couronne annulaire à l'extérieur de 71 03120 8 2086476 l'orifice de sortie» un dispositif d'injection de carburant projetant à travers une cloison amont du boîtier des jets de carburant radiaux dirigés vers les aubes en amont de l'orifice de sortie, les aubes recevant un écoulement d'air comprimé et le 5 dirigeant radialement vers l'intérieur du boîtier pour y créer un écoulement tourbillonnaire et une décharge cyclonique s*échappant dans la chambre de combustion par l'orifice de sortie, de manière que les gouttelettes de carburant injectées soient fractionnées en minuscules particules avant d'être entraînées par le courant 10 tourbillonnaire dans la chambre de combustion à l'état finement dispersées. 6. Brûleur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le dispositif d'injection de carburant produit également un jet de carburant atomisé dirigé directement danB la chambre de com-15 bustion. T. Brûleur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le bord d'attaque de chaque aube recouvre circonférentisllement le bord de fuite de l'aubs précédente.