Brevet FR2131790A1 — publié le 19721117

La présente invention est relative à un.disp.ositif de prévaporisation de carburant liquide, destiné.à équiper une installation de combustion comprenant une chambre de combustion, une source de carburant liquide et une source de comburant tel que de l'air, ledit dispositif étant du type comprenant, faisant saillie dans la chambre de. combustion, une enceinte en forme générale de T, comportant, à la base du T, un orifice d'admission communiquant avec la source de carburant liquide et la source de comburant et, à chacune des ailes du T, un orifice d'échappement débouchant dans la chambre de combustion et éjectant dans cette dernier mi flux de carburant vaporisé, lesdits orifices d'échappement étant orientés vers l'amont de la chambre de combustion considéré par rapport au sens général d'écoulement des gaz de combustion dans ladite chambre Elle s'applique plus particulièrement, bien que non exclusivement, aux installations de combustion équipant les moteurs à turbine à gaz, notanm.ent les turboréacteurs Un des problèmes majeurs que pose l'emploi de chambres de combustion à prévaporisation du carburant est celui de la tenue mécanique et de la protection thermique des parois limitant le ou les dispositifs de prévaporisation. Ces parois sont, en effet, soumises aux températures très élevées régnant dans la partie amont de la chambre de combustion. La protection de la partie amont du dispositif de prévaporisation peut être assurée, dans un certaine mesure, par injection, au voisinage de ladite partie amont, d'une couche d'air isolante. Par contre, la protection de la partie aval du dispositif de prévaporisation, comprenant en particulier les ailes ou bras du T, résulte, en principe, uniquement du refroidissement consécutif à la vaporisation du carburant présent à l'intérieur du dispositif I1 importe donc, pour que cette action de refroidissement soit effective, que les. surfaces internes du dispositif de prévaporisation soient correctement "mouillées" par un écoulemert de mélange air-carburant en cours de vaporisation. A cet égard, les dispositifs de prévaporisation de type connu, - et dont deux modèles ont été représentés plus loin à titre d'exemple -, présentent certains défauts dus à une adaptation insuffisante du profil desdites surfaces aux conditions d'écoulement du mélange qu'elles doivent guider, avec pour conséquence l'apparition de phénomènes de décollement et la formation de zones de sillage. Une zone particulièrement critique, de ce point de vue, est la portion située au voisinage des "aisQelles" des "bras" du T. La présente invention vise, d'une manière générale, à atténuer les défauts dont il vient d'être question, et à permettre, - par la mise en oeuvre de moyens dont l'utilisation n'était pas évidente pour l'homme de l'art -, l'établissement, à l'intérieur du dispositif de prévaporisation, de conditions d 'écoulement aérodynamiquement satisfaisantes. Suivant l'invention, l'en ceinte en forme de T qui forme le dispositif de prévaporisation comprend, en combinaison - un corps tubulaire comportant une extrémité amont ouverte formant l'orifice d'admission de l'enceinte, et une extrémité aval également couverte présentant un bord roulé retourné v= l'nent de la chambre de combustion et dont le pourtour est de forme générale oblongue avec deux grands côtés opposés rectilignes et deux petits cotés ; et - un chapeau coiffant l'extrémité aval dudit corps tubulaire, ledit chapeau rêsentant un pourtour de forme ega- lement oblongue avec deux grands côtés opposés rectilignes respectivement fixés aux rends côtés du bord roulé, et-deux petits côtés délimitant, en coopération avec les petits côtés du bord roulé, les deux orifices d'échappement de l'enceinte. Suivant un mode d'exécution préféré, le corps tubuluire présent en section transversale, un-contour évolutif variant depuis une forme sersiblement circulaire, à son extrémité amont, à la forme oblongue de son extrémité aval. Cette disposition présente, notamment, l'avantage de permettre d'augmenter, à l'intérieur du dispositif de prévaporisation, la surface de contact entre l'air et le carburant qui peut ainsi être injecté sous forme de jet plat en éventail,non conique. Suivant une autre disposition de l'invention, le corps tubulaire est entouré d'un manchon de même forme générale, délimitant avec ledit corps un espace annulaire qui communique, à l'une de ses extrémités, avec la source d'air et qui débouche, à son autre extrémité, dans la chambre de combustion, ledit manchon s'étendant vers l'aval jusqu'à l'in térieur de l'angle arrondi formé par le bord roulé du corps tubulaire. Ainsi qu'on le verra plus loin, cette disposition permet d'augmenter l'efficacité de la couche d'air isolante injectée E;U voisinage de la partie amont du dispositif de prévaporisation, et dont l'avanta,.e a déjà été indiqué plus haut. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une vue en demi-coupe axiale d'une installation de combustion équipée de dispositifs de préva- porisation de carburant d'un type connu la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle, suivant la ligne II-II de la figure 1, de ladite ins tallation les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en élévation de deux dispositifs de prévaporisation, de type connu la figure 5 est une vue en coupe axiale d'un dispositif de prévaporisation conforme à l'invention la figure 6 est une vue en bout vers l'aval, suivant la ligne VI-VI de la figure 5, dudit dispositif de prévaporisation les figures 7 et 8 sont des vues en coupe, respectivement suivant les lignes VII-VII et VIII-VI1I de la figure 5, dudit dispositif de prévaporisation la figure 9 est une vue en bout vers l'amont, sui vant la ligne IX-IX de la figure 5, dudit dispositif de prévaporisation. En regard des figures 1 et 2, on a désigné par le repère général 7 des dispositifs de prévaporisation de carburant liquide d'ur. tape connu, équipant une installation de combustion d'un type également connu. Cette dernière comprend, par exemple, une chambre de combustion annulaire d'axe X'-X, limitée par un carter extérieur la et un carter intérieur lb sensiblement coaxiaux. Ces deux carters définissent ensemble un espace annulaire à l'intérieur duquel deux parois 2a, 2b, disposées sensiblement coaxialement aux deux carters, délimitent un tube de flamme annulaire constituant l'espace de combustion proprement dit. Ce dernier est fermé, à sa partie amont, par une paroi annulaire 3 ou dôme à l'intérieur duquel est disposée une structure annulaire de support 4. Le dôme 3 et la structure annulaire 4 sont percés d'orifices 5, 8' répartis uniformément autour de l'axe X'-X de la chambre, chaque orifice 6 étant disposé dans le prolongement d'un orifice 5.Un dispositif de prévaporisation 7 est enfilé, avec jeu, suivant l'axe de chacun des orifices 6. La chambre de combustion est reliée à sa partie amont à une source de comburant, par exemple d'air comprimé, schématisée par un conduit 8. Cet air circule dans les espaces annulaires compris respectivement entre le carter la et la paroi 2a, le carter lb et la paroi 2b, et pénètre dans l'espa- ce de combustion sous forme d'air primaire, à travers les orifices 5, et sous forme d'air secondaire, de refroidissement et de dilution, à travers des orifices 9a, 9b ;; loua, lOb et lla, llb. Les orifices lGa, lOb, sont avantageusement dirigés sensiblement suivant l'axe de la chambre, tandis que les orifices 9a, 9b et lla, llb sont, de préféreiice, sensiblement radiaux. Chaque dispositif de prévaporisation 7 comprend, de façon connue, une enceinte de prévaporisation en forme générale de T faisant saillie dans la chambre de combustion a.par- tir d'un orifice 6, La base du T est constituée par un conduit tubulaire 12 coaxial à l'orifice 6, logé à sa partie amont dans ledit orifice, et se ramifiant, à sa partie aval, en deux conduits transversaux 15, 14, qui forment les ailes ou bras du T. Ces derniers sont recourbés vers le dôme 3 et se terminent respectivement par des orifices d'échappement 15, 18 orientés vers l'amont de la chambre de combustion.La partie amont du conduit 12 comporte un orifice d'admission communi- quant avec-.une source de carburant liquide schématisée par un conduit 17. L'orifice G pressente une section plus importante que celle du conduit 12, de manière à permettre la mise en place, autour de ce conduit, d'un manchon 18, éventuellement solidaire dudit conduit. Le manchon 18 se prolonge par deux ranitieations 15, 2C délimitant deux passages annulaires 21, 52, à travers lesquels s'effectue l'admission directe, dans l'espace de combustion, d'une certaine fraction du débit d'air primaire. En fonctionnement, la fraction la plus importante du débit d'air primaire pénètre, en même temps eue le carbu rant licuide, dans le- dispositif ze prévaporisation dont les parois sont soumises, sur leur face extérieure, à l'action de la flemme, de sorte eue le carburant se vaporise Le mélan eTe d'air primaire et t carburant vaporisé s'échappe sensiblement axialement à travers les orifices 15, 16, en sens inverse du sens général d'écoulement des gaz de combustion, sens qui a été irc'.iquk sur la figure 1, par la flèche G.La fraction plus faible du débit d'air admise en 21 autour du conduit 12 sert principalement à assurer une certaine isolation thermique de la partie amont du dispositif de prévapo- risation. Les orifices 9a, ,b, permettent d'engendrer deux groupes de jets Fa, Fb, sensiblement radiaux et de sens oppo sués. Ces jets se rencontrent au voisinage des orifices d'échappement 15, 16. Une partie de leur débit recircule alors vers l'amont de la chambre, de façon à provoquer la formation, dans la région voisine du dôme 3, d'une zone tourbillonnaire propre à faciliter l'amorçage et l'entretien de la combustion, tandis que l'autre partie de ce débit s'écoule directement vers l'aval suivant la flèche G, par exemple en direction d'une turbine à gaz non représentée. Ainsi qu'il a été exposé plus haut, un problème majeur qui se pose dans l'exploitation d'une installation de combustion du type décrit est celui de la protection thermique des parois des dispositifs de prrvaporisation 7 soumises, en fonctionnement, aux températures très élevées régnant dans la partie amont de la charre de combustion, en particulier dans le cas des installations modernes dans lesquelles l'air comburant souris à mi taux de compression important pénètre dans la chambre de combustion à mie température initiale déjà élevée. Cette protection est assurée, dans une certaine mesure, pour la partie amont du conduit tubulaire 12, grâce a la présence d'un matelas gazeux isolant formé par la frac tion du débit d'air parcourant le passage 21. Par contre, encre qui concerne la partie aval du conduit 12, ainsi que les ailes ou bras 13, 14 du T, dont les parois sont particulièrement exposées à l'action de la chaleur régnant dans la chambre de combustion, la seule protection vraiment efficace est celle qui résulte du refroidissement de ces parois par suite de la vaporisation du carburant présent à l'intérieur du dispositif de prévaporisation. I1 a néanmoins été observé que, dans certains cas au moins, il se produit, dans les dispositifs de prévaporisatin en T de type connu, des surchauffes locales préjudicia- bles à leur bonne tenue en fonctionnement. La Demanderesse a constaté que ces phénomènes de surchauffe proviennent d'un défaut de refroidissement de certaines parois du dispositif, défaut oui est lui-même la conséquence d'un tracé incorrect du profil de ces parois, insuffisamment adapté aux conditions d'écoulement du mélange air-carburant que ces parois ont pour fonction ce guider. On se reportera à ce sujet aux figures 3 et 4 qui représentent deux dispositifs de prévaporisation en T, de type connu, dans chacun desquels s'écoule un mélange d'air et de carburant en cours de vaporisation. Certaines lignes de courant caractéristiques de l'écoulement ont été désignées par le repère 300 L premier de ces dispositifs (voir figure 3) comprend des bras 13, 14 à configuration brisée, piqués à angle vif sur le conduit tubulaire 12.On notera, en particulier, la présence d'une arete vive 31 dans la-zone de l'aisselle, et d'arêtes vives 32, 53 dans la zone du coude de chacun des bras Du fait de la présence de ces arêtes vives, les lignes de courant 30 subissent des décollements engenarant des zones d'eau morte 34, 35, 36, dans lesquelles ne se produit aucun écoulement notable. Dans ces zones, les parois du dispositif de prévaporisation ne sont donc pas 'lmouillées" par le carburant en cours de vaporisation et sont, par conséquent, insuffisamment refroidies. Le second dan ces dispositifs (voir figure 4) coel- prend des bras 13, 14 dépourvus d'arêtes vives et, par conséquent, mieux profilés. I1 subsiste néanmoins, dans la zone de l'aisselle, une arête vive 31 engendrant une zone c'eau morte 37 qui constitue, par conséquent, la partie sensible de ce dispositif de prévaporisation connu. Les figures 5 à 9 représentent un dispositif de prévaporisation conforme à l'invention, dans lequel les inconvénients précités sont notablement réduits. Ce dispositif comprend une enceinte en forme générale de T limitée par un corps tubulaire 40 et un chapeau 41. Le corps tubulaire 40 comporte une extrémité amont 42 ouverte formant l'orifice d'admission de l'enceinte, et une extrémité aval 43 également ouverte coiffée par ledit chapeau. L'extrémité aval 43 est conformée de façon à présenter un bord roulé 44 retourné vers l'amont de la chambre de combustion suivant un angle arrondi 48. Le pourtour du bord roulé 44 est de forme générale oblongue avec deux grands côtés opposés rectilignes 44a-44b et deux petits côtés arrondis 44c-44d. Le chapeau 41 présente un pourtour de forme également oblongue avec deux grands côtés opposés rectilignes 41a-41b respectivement fixés, par exemple par soudure, aux grands côtés 44a44b du bord roulé, et deux petits côtés arrondis 41c-41d délimitant, en coopération avec les petits côtés 44c-44d du bord roulé, deux orifices 45a-45b tournés vers l'amont de la chambre de combustion et qui constituent -les deux orifices d'échappement de l'enceinte en forme de T. Le corps tubulaire 40 présente, en section transversale, un contour évolutif variant depuis une forme sensiblement circulaire à son extrémité d'entrée 42 à la forme oblongue de son extrémité aval 43. Un manchon 46 de même forme générale que le corps tubulaire 40 est disposé coaxialement autour de ce dernier, de manière à délimiter avec ledit corps un espace annulaire 47 ouvert à ses deux extrémités. Ce manchon est analogue au manchon 18-19 représenté aux figures 1, 3 et 4, mais il s'étend beaucoup plus loin vers l'aval jusqu'à l'intérieur de l'angle arrondi 48 formé par le bord roulé 44 de ltextré- mité aval du corps 40. Le dispositif de prévaporisation qui vient d'être décrit est monté dans la chambre de combustion comme indiqué aux figures 1 et 2. Son extrémité amont 42 est alors en communication avec la source d'air comburant et avec la source de carburant qui a été schématisée à la figure 5 sous la forme d'un injecteur 50 agencé de manière à donner naissance à un jet plat en éventail, non conique, mais qui pourrait également avoir une autre forme. En fonctionnement, le débit d'air primaire se divise en deux fractions dont l'une, la plus importante, pénètre dans le corps tubulaire 40 par l'orifice d'admission 42, tandis que l'autre s'engage dans l'espace annulaire 47 formé entre le corps 40 et le manchon 48. A la première fraction du débit d'air s'ajoute le débit de carblgzant émis par l'injecteur 50 et qui, en raison de la température élevée des parois du seps 40 et du chapeau 41, se vaporise progressivement. On a désigné, respectivement, par le repère 51 le flux de mélange air-carburant s'écoulant à l'intérieur du dispositif de prévaporisation et s'échappant vers l'amont sous forme de jets 52a-52b, et par le repère 53 le flux d'air parcourant l'espace annulaire 47. On notera l'absence, sur le trajet du flux 51 de mélange air-carburant, de toute arête vive. Du fait, en particulier, que les bras 13 14 (voir figures 1 à 4) sont supprimés, les "aisselles" de ces bras, - qui constituaient la zone la plus sensible des dispositifs de prévaporisation en T de types connus -, disparaissent également et, avec elles, la cause essentielle des phénomènes de décollement décrits en regard des figures 3 et L:. Le flux d'air 53 parcourt l'espace annulaire 47 d'amont en aval (par rapport au sens général d'écoulement des gaz dans la chambre de combustion), et exerce, de ce fait, sur les parois du dispositif de prévaporisation, une action de refroidissement par convection. I1 est ensuite dévié de 180 dans la zone de l'angle arrondi 48 délimitée par le bord roulé 46 du corps tubulaire 40. Dans cette zone, - l'une des plus critiques du dispositif -, l'action de refroidissement par convection se double d'duReiaction de refroidissement par choc à l'endroit où le flux/53 vient frapper la paroi extérieure du bord roulé 44. Ce flux s'échappe ensuite vers l'amont, de façon à constituer, le long de la paroi extérieure du manchon 46, un film protecteur 54. On observera qu'à l'endroit où il constitue le film protecteur précité, le flux d'air se déplace parallèlement aux jets 52a-52b do mélange air-carburant s'échappant à travers les orifices 45a-45b, et dans le même sens que ces jets. La section de sortie de la zone angulaire 48 et celle des orifices 45a-45b peuvent être déterminées de façon telle que les vitesses des flux respectifs qui s'en échappent soient peu différentes. I1 en résulte que la vitesse de mélange entre le film 54 et les jets 52a-52b, - dont la température est beaucoup plus élevée -, est très faible, ce qui favorise le maintien de l'intégrité de ce film.Ces conditions sont donc beaucoup plus favorables que celles qui règnent dans les dispositifs de prévaporisation de type connu (voir figures 1, 3 et 4), dans lesquelles le flux d'air de refroidissement s'échappe du passage 21 à contre-courant par rapport aux jets de mélange air-carburant émis par les orifices 15-16, Dans ces dispositifs connus, il se produit, dans la zone de séparation entre ledit flux et lesdits jets, des mouvements secondaires parasites et des phénomènes de turbulence qui tendent à désagréger le film dont 1?efficacité est ainsi diminuée On notera enfin que la forme évolutive du contour du corps tubulaire 40 a pour conséquence une augmentation considérable de la surface de contact entre l'air et le carburant émis par l'injecteur 50. Au débouché de l'injecteur, - qui est situé dans la partie circulaire 42 du corps 40 -, le jet de carburant sortant de l'injecteur-sous forme de jet plat est d'abord concentré avant de s'élargir ensuite vers l'aval en s'aplatissant de plus en plus. La forme oblongue du chapeau 41 va, de ce point de vue, dans le sens de l'évolution de la forme du corps tubulaire 40 et contribue, par conséquent, à l'augmentation de la dimension transversale du jet de carburant en cours de vaporisation. I1 va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notan nuent par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de prévaporisation de carburant liquide, destiné à équiper une installation de combustion comprenant une chambre de combustion, une source de carburant liquide et une source de comburant, ledit dispositif étant du type comprenant, faisant saillie dans ladite chambre, une enceinte en forme générale de T, comportant, à la base du T, un orifice d'admission communiquant avec la source de carburant liquide et la source de comburant et, à chacune des ailes du T, un orifice d'échappement débouchant dans la chambre de combustion et éjectant dans cette dernière un flux de carburant vaporisé, lesdits orifices d'échappement étant orientés vers l'amont de la chambre de combustion considéré par rapport au sens général d'écoulement des gaz de combustion dans ladite chambre-, caractérisé en ce que ladite enceinte comprend, en combinaison - un corps tubulaire comportant une extrémité amont ouverte formant l'orifice d'admission de l'enceinte, et une extrémité aval également ouverte présentant un bord roulé retourné vers 1' amont de la chambre de combustion et dont le pourtour est de forme générale oblongue avec deux grands côtés opposés rectilignes et deux petits côtés ; et - un chapeau coiffant l'extrémité aval dudit corps tubulaire, ledit chapeau présentant un pourtour de forme également oblongue avec deux grands côtés opposés rectilignes respectivement fixés aux grands côtés du bord roulé du corps tubulaire, et deux petits côtés délimitant, en coopération avec les petits côtes dudit bord roulé, les deux orifices d'échappement de l'enceinte en forme de T. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps tubulaire présente, en section transversale, un contour évolutif variant depuis une forme sensiblement circulaire, à son extrémité amont, à la forme oblongue de son extrémité aval. 3 Dispositif suivant la revendication 1 ou la reven diction 2, caractérisé au ce -e ledit corps tubulaire est entouré d'un manchon ê même forme générale, délimitant avec ledit corps un espace annulaire oui cor.munique à l'une de ses extrémités, avec la source de comburant et qui débouche, à son autre extrémité, dam la chambre se combustion, ledit an- chon s'étendant V' rs l'aval jusqu'à l'intérieur de l'angle arrondi formé par ledit bord roulé.