Brevet FR2142690A1 — publié le 19730202

La présente invention est relative à un 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 com buranttel que de l'air, ledit dispositif de prévaporisation étant du type comprenant, faisant saillie dans la chambre de combustion, une structure creuse ou canne en forme générale de T, composée d'un corps tubulaire, qui constitue la base du T et est relié auxdites sources de carburant liquide et de comburant, et de deux bras branchés sur ledit corps tubulaire et se terminant, chacun, par un orifice de sortie qui débouche dans la chambre de combustion et à travers lequel s'écharpe, en fonctionnement, un flux d'un mélange de comburant et de carburant au moins partiellement vaporisé. l'installation de combustion considérée peut etre destinée, notamment, à équiper un moteur à turbine à gaz, tel qu'un turboréacteur. Un des problèmes majeurs que pose l'emtloi bres de combustion à prévaporisation du carburant est @elui de la protection thermique des parois limitant le ou le dsposi- tifs de prévaporisation. Ces parois sont, en effet, scumises aux températures très élevées régnant dans la région amont de la chambre de combustion. I1 a été constaté, dans le cas de l'utilisation de cannes de prévaporisation en forme de T, que des zones spécia- lement sensibles à cet égard sont le portions de paroi nui sont comprises, pour chaque bras du T, entre l'orifice de sortie et "l'aisselle" de ce bras. L'expérience a montré aue les cannes de prévaporisation de type connu - et dont un modèle a été représenté plus loin à titre d'exemple - son fréquemment soumises, dans ces zones, à des surchauffes impertantes, préjudiciables à leur bonne tenue en fonctionnement. La présente invention vise, d'une manière générnale, à améliorer la protection thermique des cannes .i prévaporisa- tion en forme de T, dans les zones critique La Demanderesse s'est aperçue que la solution ce ce problème est intimement liée - ce qui n'était pas évident - à la mise en oeuvre de moyens permettant de créer, à 'intérieur de la canne, un écoulement aussi uniforme que possible,du flux de mélange air-carburant, notamment dans les ZOT de ment de direction dudit flux. Suivant l'invention,chacun des bras de la canne en T est divisé - au moins au voisinage de son orifice de sortie par au moins une cloison de fractionnement s'étendant dans la direction générale d'écoulement du flux de mélange air-carburant dans ledit bras, en au moins deux passages parcourus en parallèle chacun par une fraction dudit flux. Suivant une disposition de l'invention applicable au cas le plus fréquent dans lequel chacun des bras de la canne présente une portion d'entrée, qui est branchée sur le corps tubulaire de la canne et s'étend transversalement à ce dernier, et une portion de sortie, qui est reliée par un coude à ladite portion d'entrée, la cloison de-fractionnement précitée s'étend@sur une partie au moins de ladite portion de sortie, et peut éventuellement occuper également une partie dudit coude. Ainsi qu'on le verra plus loin, la mise en oeuvre de --lles cloisons de fractionnement a pour conséquence une dimi- n@tion sensible du risque de surchauffe de la canne dans les nes critiç:oe-s précites. La d description foi va suivre en regard du dcssin assl- @@xé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- p@endre comment l'invention peut être réalisée, les parti@ula- rités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien tendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une -m e en demi-coupe axiale d'une i@stallation de combustion équipée de dispositifs ou cannes @ prévap@risation de carburant, en forme générale de T. Lia figure 2 est une vue en coupe transversale patielle, suivant la Ligne IIBII de-la figure 1, de ladite installation. La figure 3 est une vue en coupe, suivant la ligne III-III de la figure 2, d'une canne de prévaporisation de ty Q La figure 4 est une vue analogue à la figure 3, mon @@ant @@@e ca@@@ de prévaporisation penfectionnée confo@@émen@ @ l'in@en@i@@. Sun les figures 1 et 2, on a désigné par le repère génénral 7 des dispositifs de prévaporisation de carburant l'@uid du@ @e à @trueture creuse ou can@e en forme gé@é@ le de T, équipant une installation de combustion d'un type connu en soi. 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 formé, à sa partie amont, par une paroi annulaire 3 ou dôme à l'intérieur duquel est disposée une structure annulaire de support 3. Le dôme 3 et la structure annulaire 4 sont percés d'orifices 5-6, répartis uniformément autour de l'axe X'-I 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 dtair 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'espace 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, lOa-10b et lla-llb. Chaque dispositif de prévaporisation 7 comprend, de façon connue, une structure creuse ou "vanne" en forme générale de T, faisant saillie dans la chambre de --ombustion à partir d'un orifice 6. La base du T est constituée par un corps tubulaire 12 coaxial à l'orifice 6, et se ramifiant en deux bras 13-14, qui forment les ailes du T= Chacun des bras présente une portion d'entrée la (14a), branchée sur le corps 12 et s'étendant transversalement à ce dernier, et une portion de sortie 13b (14b) reliée par un coude 13c (14c) à ladite portion d'entrée. Chacune desdites portions de sortie se termine par un orifice d échappement 13d (14d) orienté vers l'amont de la chambre de combustion. La partie amont du corps 12 comporte un orifice d'admission communiquant avec une source de carburant liquide schématisée par un conduit 17. L'orifice 6 présente une section plus importante que celle du corps 12, de manière à permettre la mise en place, autour de ce corps, d'un manchon 18, éventuellement solidaire dudit conduit. Le manchon 18 se prolonge par deux ramifications 19-20 délimitant deux passages annulaires 21-22, 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 môme temps que le carburant liquide, dans la canne de prévaporisation dont les parois sont soumises, sur leur face extérieure, à l'action de la flamme, de sorte que le carburant se vaporise.Le mélange d'air primaire et de carburant vaporisé s'échappe sensiblement axialement à travers les orifices 13d-14d, en sens inverse du sens général d'écoulement des gaz de combustion, sens qui a été indiqué sur la figure 1 par la flèche G. La fraction la plus faible du débit d'air admise en 21 autour du corps 12 sert principalement à assurer une certaine isolation thermique de la partie amont de la canne. Les orifices 9a-9b permettent d'engendrer deux groupes de jets Fa-Fb, sensiblement radiaux et de sens opposés. 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 ma jeur qui se pose dans l'exploitation d'une installation de combustion du type décrit est celui de la protection thermique des parois des cannes de prévaporisation 7 soumises, en fonctionnement, aux températures très élevées régnant dans la partie amont de la chambre de combustion. Cette protection est assurée, dans une certaine mesure, pour la partie amont du corps tubulaire 12, grâce à la présence d'un matelas gazeux isolant formé par la fraction du débit d'air parcourant le passage 21. Par contre, en ce qui concerne la partie aval du corps 12, ainsi que les ailes ou bras 13-14 du T, dont les parois sont davantage 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 de la canne. I1 a néanmoins été observé que, dans certains cas au moins, il se produit, dans les cannes de prévaporisation en g de type connu, des surchauffes locales préjudiciables à leur bonne tenue en fonctionnement. La Demanderesse a constaté sans pour cela être liée par cette explication - que ce phénomène pouvait être imputé à certaines causes d'ordre aérodynamique qui seront examinées ci-après. On se reportera, à-ce sujet, à la figure 3 qui représente, à plus grande échelle, une canne en T de type connu, dans laquelle s'écoule un mélange d'air et de carburent en cours de vaporisation. Les lignes de courant de l'écoulement dans la canne ont été désignées par le repère 30. On remarque- ra que, par suite des changements brutaux de direction qui sont imposés à l'écoulement, les lignes de courant 30 subissent des décollements engendrant des zones d'eau morte 31-32. Ces zones - qui sont délimitées par des portions de paroi 13e-14e sont comprises, pour chaque bras, entre l'aisselle - qui a été désignée par le repère 13f (14f) - de ce bras et l'orifice de sortie 13d (14d) dudit bras.Comme le montre la figure une fraction appréciable de la section de cet orifice est englobée dans la zone d'eau morte correspondant@. I1 résulte de ce qui précède, que des filets de gaz chauds en provenance de la région primaire de la chambre de combustion - dans laquelle règne une température très élevée, par exemple de l'ordre de 2 0000 K - peuvent pénétrer, comme schématisé par les flèches 33-34, dans les zones d'eau morte précitées et venir ainsi directement en contact avec les portions de paroi 13e-14e qui sont alors souris à un chauf- fement qui peut etre excessif. On a représenté à la figure 4 une canne de prévapo- risation en T, perfectionnée de manière à pallier le risque de surchauffe auquel il vient d'être fait allusion. A cet effet, dans chacun des bras 13 (14) et dispo- sée, au moins au voisinage de l'orifice de sortie 13d (14d) dudit bras, au moins une cloison de fractionnement 35 (36) qui s 'étend dans la direction générale d'écoulement du flux de mélange air-carburant dans ledit bras. Cette cloison divise le bras considéré en deux passages 37-137 (38-138) parcourus en parallèle chacun par une fraction dudit flux. Chacune des cloisons de fractionnement 35-36 s'détend avantageusement sur une partie au moins de la portion de sortie 13b (14b) du bras considéré. Comme le montre la figure 4, elle peut occuper également au moins une partie du coude lfc (14c). La présence de ces cloisons a pour effet que les zones d'eau morte 31-32 représentées à la figure 3 sont remplacées, chacune, par deux zones d'eau morte 39-139 (40-140) d'étendue beaucoup plus réduite. Ce qui est essentiel, c'est que, grâce à ces cloisons, le flux 30 de mélange air-carburant peut maintenant aisément venir "recoller" tant sur les portions de paroi 13e-14e que sur lesdites cloisons, avant ou au plus tard au moment d'atteindre l'orifice de sortie 13d (14d) du bras considéré. Ainsi, le risque de pénétration de gaz chauds dans les bras de la canne de prévaporisation est écarté, de sorte que le risque de surchauffe mentionné plus haut est sensiblement réduit. La tenue thermique de la canne est donc améliorée de façon appréciable Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notam d'équivalents ment par substitution techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENT)ICATIONS 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 tel que de l'air, ledit dispositif de prévaporisation étant du type comprenant, faisant saillie dans la chambre de combustion, une structure creuse ou canne en forme générale de T composée d'un corps tubulaire, qui constitue la base du T et est relié auxdites sources de carburant liquide et de comburant, et de deux bras branchés sur ledit corps tubulaire et se terminant, chacun, par un orifice de sortie qui débouche dans la chambre de combustion et à travers lequel s'échappe, en fonctionnement, un flux d'un mélange de comburant et de carburant au moins partiellement vaporisé, caractérisé en ce que chacun desdits bras est divisé - au moins au voisinage de son orifice de sortie - par au moins une cloison de fractionnement s'étendant dans la direction générale d'écoulement du flux de mélange air-carburant dans ledit bras, en au moins deux passages parcourus en parallèle chacun par une fraction dudit flux. 2. Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel chacun desdits bras présente une portion d'entrée, qui est branchée sur ledit corps tubulaireet s'étend transversalement à ce dernier, et une portion de sortie, qui est reliée par un coude à ladite portion d'entrée, caractérisé en ce que ladite cloison de fractionnement s'étend sur une partie au moins de la longueur de ladite portion de sortie. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cloison de fractionnement occupe également au moins une partie dudit coude. 4. Installation de combustion, notamment pour moteur à turbine à gaz, équipée d'un dispositif de prévaporisation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3