Brevet FR2116363A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne les systèmes de chambres de combustion et plus particulièrement les chambres de combustion des générateurs de gaz pour turbomoteurs. Les chambres de combustion des turbomoteurs comprennent 5 une buse de pulvérisation qui injecte le carburant dans une zone de combustion. Lorsque le carburant est allumé, il se crée un front de flammes continu dans la chambre de combustion alimentée en carburant et en air comprimé et un flux de gaz chaud à haute énergie s'en échappe. 10 Le problème de la réduction des fumées engendrées par le processus de combustion et éjectées dans l'atmosphère par les turbomoteurs est depuis peu devenu une considération primordiale. Une solution tout à fait satisfaisante consiste à injecter le carburant dans un conduit ou une chambre de mélange qui débouche 15 dans la chambre de combustion. L'air comprimé est injecté axiale-ment et mis Bn rotetion pour créer des tourbillons dont l'axe coïncide avec celui de l'injecteur de carburant. L'écoulement turbulent ainsi créé dans le conduit produit un mélange d'air et de carburant finement dispersé dans un rapport supérieur à la 20 Btoechiométrie• Ce mélange est introduit en un jet sensiblement conique dans la chambre de combustion où il est encore dispersé par l'addition d'air pénétrant par des ouvertures de la chambre. Cet air additionnel est suffisant pour entretenir la combustion et un front de flammes s'établit dans cette zone de brassage, à la 25 sortie de la chambre de mélange. L'extrSme dispersion de carburant permet d'éliminer presque totalement les zones riches localisées et par conséquent l'émission de fumée qui devient virtuellement indétectable. Bien que réduisant effectivement la densité des fumées, 30 cette solution connue a l'inconvénient d'augmenter la fréquence des opérations d'entretien des injecteurs de carburant. En effet, des dépfits de calamine se formant sur ces injecteurs altèrent la régularité du cÔnB de pulvérisation du carburant. Bien que divers types de buses de pulvérisation et de viroles de guidage de l'air 35 aient été essayés, on n'a jusqu'ici pas pu résoudre ce problème d'entretien des injecteurs en conservant des émissions de fumée faibles. On attribue généralement ces difficultés à la présence 71 31637 2 2116363 de carburant finement dispersé qui remonte localement le courant général et vient Bn contact avec la sortie des injecteurs. Au contact des injecteurs qui sont à une température élevée, le carburant se décompose et forme des dépfits de calamine. 5 L'invention a donc pour objet un dispositif permettant de réduire la température de travail des injecteurs de carburant de façon à minimiser la quantité de calamine qui s'y dépose pour conserver une émission minimale de fumée résultant du processus de combustion. 10 Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le carburant est pulvérisé dans un venturi* Le convergent du venturi provoque une accélération suffisante de l'air de mélange autour de l'injecteur pour maintenir la combustion à une distance prédéterminée de ce dernier. Lb fait de déplacer vers l'aval le front des 15 flammes permet d'abaisser suffisamment la température de travail des injecteurs pour éviter les dépôts de calamine. Le divergent du venturi provoque une détente de l'air de mélange qui est introduit dans la chambre de combustion en un cOne relativement ouvert assurant une bonne dispersion nécessaire à la limitation des 20 fumées. Les emplacements relatifs du venturi et du moyen d'introduction de l'air da mélange, ainsi que la quantité d'air de mélange, sont des facteurs importants pour l'obtention des résultats désirés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-25 tiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels s La figure 1 est une représentation schématique d'un turboréacteur équipé de la chambre de combustion de l'invention. La figure 2 est une coupe longitudinale de la chambre de 30 combustion du turboréacteur de la figure 1. La figure 3 est unB coupe de la figure 2 selon la ligne III-III. La figure 4 est une coupe longitudinale semblable à celle de la figure 2, mais représentant une variante de l'invention. 35 La figure 1 représente un turboréacteur classique dont le compresseur axial 10 comprime de l'air qui s'écoule dans un passage annulaire 12 pour alimenter une chambre de combustion annulaire 14 71 31637 3 2116363 dans laquelle est introduit le carburant. L'air comprimé entretient la combustion du carburant à l'intérieur de la chambre pour créer un flux de gaz chauds à haute énergie. Ce flux de gaz cha^Js entraîne ensuitB une turbine 16 qui est solidaire du rotqr du 5 compresseur 10. Les gaz chauds sont ensuite convertis en une énergie utile dans une tuyère 17 qui fournit la poussée propulsive d'un aéronef. La chambre de combustion 14 illustrée figure 2 comprend une chemise extérieure 18 et une chemise intérieure 20 qui délimitent 10 entre elles une chambre annulaire de combustion 21. Ces chemises sont réunies par des dfimes 22 de forme complexe à leurs extrémités amont. Des conduits cylindriques ou chambres de mélange 24 débouchent dans le dôme 22 et la chambre de combustion 21. Des bagues de transition 26 raccordent la forme des conduits à celle du dôme. Un 15 générateur 28 de tourbillons axiaux est monté à l'extrémité amont de chaque conduit 24. Le générateur de tourbillons comporte une ouverture centrale dans laquelle se monte l'extrémité 29 d'un injecteur 30 de pulvérisation de carburant. L'injecteur 30 peut se présenter sous diverses 20 formes, mais comprend de préférence au moins un gicleur pulvérisant le carburant en un cône relativement ouvert dont l'axe a coïncide avec l'axe longitudinal de la chambre de mélange. Le générateur de tourbillons 28 est formé d'une série de passages annulaires 32 entourant l'axe du gicleur de pulvérisation 29. Les passages 32 sont 25 obliques par rapport à l'axe du gicleur de façon à créer un écoulement tourbillonnaire. On va maintenant décrire ai détail le système d'introduction dans la chambre de combustion 21 de l'air comprimé du passage annulaire 12 de sortie du compresseur. Le passage 12 est délimité 30 par des parois extérieure et intérieure 34 et 36 de forme généralement cylindrique qui enveloppent longitudinalement les chemises 18 et 20 à une certaine distance de celles-ci pour former des passages annulaires 38 et 40. Une tuyère annulaire 42 est fixée en amont des chemises 18 et 20. Cette tuyère comporte un passage 35 central 43 dont l'entrée fait face au passage d'air comprimé 12 et qui débouche dans une chambre annulaire 44 entourant les entrées 71 31637 4 2116363 des chambres de mélange, c'est-à-dire des passages 32 à écoulement tourbillonnaire. L'air sous pression fourni par le compresseur se divise alors en trois écoulements annulaires dans les passes 38, 40 et 43. 5 L'air des passages 38 et 40 peut entrer dans les chambres de combustion 21 et a trois rôles distincts. Tout d'abord, il peut passer par des trous relativement petits 46 qui sont orientés de manière à refroidir les chemises 18 et 20. Deuxièmement, il peut pénétrer par des trous relativement plus gros 48 pour fournir l'air 10 primaire de combustion aux chambres 21. Son troisième rôle est de pénétrer par des trous (non représentés) en aval de la zone de combustion pour diluer le flux de gaz chaud et abaisser sa température à un niveau compatible avec les matériaux constitutifs de la turbine. L'air qui pénètre par les trous 48 peut également servir 15 à la dilution des gaz chauds. L'air qui entre par la tuyère 43 et la chambre 44 est dosé et injecté sous la forme de jets distincts dans la chambre de mélange 24 par les passages obliques 32. L'écoulement tourbillonnaire de l'air de mélange permet d'obtenir une dispersion très fine 20 et un bon mélange du carburant qui est pulvérisé en très fines gouttelettes dont la combustion entretient un front de -flammes qui est généralement représenté par la ligne discontinue FF de la figure 2. Lorsque le mélange combustible a été allumé, la position du 25 front de flammes est principalement déterminée par deux paramètres qui sont la présence et la richesse dù mélange combustible et la vitesse d'écoulement de ce mélange. La présente invention consiste à ajuster ces deux facteurs pour maintenir le front des flammes à la distance voulue de la sortie du gicleur 29 de l'injecteur de 30 carburant pour abaisser la température de travail de ce dernier. Pour ce faire, la chambre de mélange contient un venturi 50 qui est concentrique par rapport à l'axa a du ficleur et entoure le jet conique de carburant pulvérisé. Le diamètre interne du venturi est voisin du diamètre moyen de la rangée annulaire de 35 passages obliques 32. Ainsi, environ un tiers de l'air tourbillonnaire est capturé et accéléré axialement par la partie convergente du venturi 50. De ce fait, au niveau de l'étranglement du venturi 71 31637 2116363 5 la richesse du mélange est suffisamment élevée par rapport à la : stoechlométrie pour empêcher la combustion qui est en outre rendue impossible par la vitesse d'écoulement du mélange* i~e divergent du venturi provoque une détente du mélange qui est 5 injecté dans la chambre de combustion selon un cOne de forme voisine de celui que produirait le gicleur de pulvériation 29 seul* A cet égard, on notera que la partie divergente du venturi se termine presque tangentiellement au cône de pulvérisation* Outre son action sur la réduction du niveau de fumée, le 10 venturi 50 permet de maintenir efficacement le front des flammes 6 la distance voulue en aval de l'injecteur de carburant* Cette distance dépend de la longueur du venturi et de son rapport d'étranglement ainsi que de la quantité d'air de mélange qu'il capte, tous ces facteurs étant déterminés pour fournir un jet 15 conique relativement divergent à la sortie du venturi, dans la chambre de combustion* Considéré d'une autre manière, l'effet duventuri est d'augmenter la pression totale du noyau central de l'écoulement tourbillonnaire qui s'établit dans la chambre de mélange* En 20 l'absence du venturi, ls pression relativement faible du noyau tourbillonnera laisse remonter une partie de l'air primaire vers l'amont, comme indiqué par les flèches discontinues, et il se crée un mélange combustible maintenant un front de flammes au voisinage immédiat de l'injecteur. La présence du venturi n'empSche paB 25 complètement cette remontée du mélange, comme indiqué par les flèches en traits pleins, mais limite considérablement son extension vers l'amont. On notera que,le venturi 50 est soudé ou fixé ds toute autre manière au générateur de tourbillons 30 sensiblement au milieu des 30 passages 32, ce qui améliore la robustesse et la rigidité de l'ànsemble* La figure 4 représente une variante de l'invention dans laquelle un venturi 52 recueille la totalité de l'air de mélange et sert donc de chambre de mélange introduisant le carburant finement 35 dispersé dans la zone de combustion. L'effet du venturi dans le déplscament vers lh/al du front des flammes çt dans la réduction de la température de l'injecteur de carburant est essentiellement le 71 31637 6 2116363 mSme que décrit précédemment, sauf que, dans ce cas, c'est l'accélération qui est le facteur prédominant dang le déplacement du front des flammes vers l'aval car la.quantité d'air qui pér^tre dans le venturi est beaucoup plus grande que précédemment* 5 En fait, on voit que les aspects avantageux de l'invention sont conservés, même lorsque la quantité d'air de mélange est suffisante pour que la combustion ait lieu dans la chambre de mélange* L'expérience pratique montre qu'un tel venturi a une 10 efficacité certaine pour empêcher l'accumulation de calamine sur les injecteurs de carburant et réduit considérablement 1'entretien qu'ils nécessitent* Cet avantage s'accompagne d'un niveau d'émission de fumées aussi réduit que possible* Bien que l'invention ait été décrite dans le cadre d'une 15 chambre de combustion annulaire, il va de soi qu'elle s'applique également aux chambres de combustion tubo-annulaires* D'une manière plus générale, elle est applicable aux cas où l'air de mélange circule dans la chambre de mélange avec une composante centrifuge faible ou nulle* 20 II va de soi que la description précédente n'est nullement limitative et que l'on pourra y apporter touteevariantes ou modifications entrant dans le cadre et dans l'esprit de l'invention* 71 31637 7 2116363 Revendications 1. Système de combustion comprenant une chambre de combustion, une chambre de mélange débouchant dans l'extrémité amont ae la chambre de combustion, un injecteur de carburant produisant dans 5 la chambre de mélange un c8ne de carburant atomisé coaxial avec la chambre de mélange et dirigé vers la chambre de combustion, un dispositif d'introduction d'air comprimé à l'Bxtrémité amont de la chambre de mélange créant un écoulement axial pour disperser le carburant en fines gouttelettes, ledit système de combustion étant 10 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un venturi (50 ou 52) qui entoure le jet conique de carburant et qui capte au moins une partie de l'écoulement axial et tourbillonnaire de l'air de mélange. 2. Système de combustion selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif d'introduction (32) de l'air de mélange 15 introduit une composante centrifuge dans ledit écoulement axial. 3. Système de combustion selon la revendication 2 caractérisé en ce quB la chambre de mélange (24) est partisllBmBnt délimitée par ledit venturi» (50). 4. Système de combustion selon la rsvendication 2 caractérisé 20 en cb que le venturi (52) est monté à l'intérieur de la chambre ds mélange. 5. Système de combustion selon la revendication 4 comprenant un conduit cylindrique formant la chambre de mélange et dont l'extrémité amont comporte un générateur de tourbillons axiaux, le 25 dispositif d'introduction de l'air de mélangB comprenant une rangée annulaire de passages orientés généralement radialement et obliquement par rapport au générateur de tourbillons, ce dernier comportant une ouverture centrale par laquelle dépasse l'extrémité de l'injecteur de carburant, ledit système de combustion étant caractérisé 30 en ce que l'extrémité amont du venturi (50) a un diamètre compris entre les diamètrss minimum et maximum de la rangée annulaire de passages du générateur de tourbillons, ledit venturi étant solidaire du générateur de tourbillons. 6. Système de combustion selon la revendication 5 caractérisé 35 en ce que la sortie divergente du venturi (50, 62) est généralement tangente au jet conique de l'injecteur de carburant. 71 31637 8 2116363 7. Système de combustion selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de pression communiquant avec la face amont du générateur de tourbillons axiaux do/* les passages ne laissent passer dans la chambre de mélange qu'une quantité d%Lr insuffisante pour produire un mélange combustible avec le carburant qui est atomisé par l'injecteur, d'autres dispositifs introduisant dans la chambre de combustion une quantité d'air comprimé suffisante pour former un mélange combustible.