Brevet FR2124141A1 — publié le 19720922

Dans les moteurs à réaction, tels que ceux utilisés en aéronautique, le problème se pose souvent d'entretenir une combustion dans un courant de gaz et d'air en écoulement rapide. C'est le cas de la réchauffe des gaz qui s'écoulent de la turbine d'un turboréacteur vers la tuyère d'éjection finale et qui contiennent encore de l'oxygène de sorte que l'on peut y brûler un combustible (post-combustion) pour obtenir un supplément de poussée . Ce peut-être le cas également dans les stato-réacteurs où il s'agit de brûler du combustible à l'intérieur du courant d'air qui traverse l'enceinte de l'appareil et qui est à vitesse-plus ou moins élevée. On a déjà proposé divers dispositifs pour résoudre ce problème. Le dispositif qui fait l'objet de l'invention est du genre dans lequel un déflecteur ou écran solide placé dans le courant gazeux, en aval d'un injecteur de combustible, crée derrière lui une zone de sillage ou zone morte à la frontière de laquelle la flamme peut s'accrocher, ce déflecteur avec sa zone de sillage étant enfermés dans une enceinte formant chambre de combustion, munie d'orifices frontaux en avant du déflecteur pour recevoir du mélange carburé et ouverte vers l'arrière pour délivrer les gaz de combustion à haute température au sein de l'écoulement carburé qui est ainsi mis en combustion. Une particularité essentielle de ce dispositif consiste en ce que la paroi de l'enceinte est percée d'orifices latéraux situés immédiatement en aval du déflecteur et adaptés ppur que du mélange carburé léchant la paroi externe de l'enceinte puisse pénétrer directement dans la zone de sillage du déflecteur pour participer à la combustion, ce qui permet d'augmenter de façon avantageuse le débit de gaz très chauds engendrés. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple permettra de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, étant entendu qu'aussi bien les particularités décrites que celles représentées sur le dessin font partie de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective représentant un dispositif selon l'invention, installé dans le canal de post-combustion d'un turboréacteur ; une partie de la paroi de ce canal a été enlevée pour permettre d'apercevoir le dispositif. La figure 2 montre à plus grande échelle une coupe transversale du dispositif, faite selon la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une coupe selon III-III de la figure 2, la coupe étant développée sur un plan. Sur la figure 1 on voit en 1 une partie du canal conduisant les gaz issus de la turbine d'un tuiboréacteur vers la tuyère d'éjection finale, canal dans lequel on doit pouvoir faire à un moment voulu une réchauffe des gaz, dite post-combustion. Une rampe circulaire 2 munie d'orifices de pulvérisation 3 répartis sur sa longueur et tournés vers l'aval ou l'amont de l'écoulement gazeux, est installée dans le canal et sert à pulvériser au sein de l'écoulement de petits jets de combustible s'échappant par les orifices 3. Cette rampe est alimentée par un conduit 4. En aval de cette rampe dans le sens de l'écoulement, se trouve une virole creuse 5 dont on voit la coupe à plus grande échelle sur la figure 2. te diamètre moyen de cette virole peut être le même que celui de la rampe 2. Elle a un profil aérodynamique, compte tenu de la vitesse de l'écoulement et forme une chambre de combustion annulaire. A l'avant, elle est percée d'orifices frontaux 6 répartis sur sa longueur et par lesquels le gaz en écoulement dans le canal, chargé du combustible pulvérisé par les orifices 3, pénètre dans la virole 5. Ces orifices 6 peuvent être en moins grand nombre que les orifices 3. Ils peuvent être ou non disposés de manière que chacun d'eux se trouve en face d'un orifice 3. Immédiatement en aval des orifices 6, la virole 5 contient un déflecteur ou écran annulaire 7 qui oblige le mélange de gaz et de combustible à lécher la paroi interne de la virole 5. A l'arrière, celle-ci s'ouvre par une fente continue 8 de sorte que les gaz élaborés dans la virole s'échappent en un jet annulaire dans l'écoulement principal. Dans une telle disposition, en aval du déflecteur 7, il se forme, dans la veine gazeuse qui pénètre avec sa pression dynamique par les orifices frontaux 6 pour sortir par la fente 8, une zone morte ou zone de sillage, avec un vortex figuré schématiquement par les flèches f. Ce vortex tend à ramener le gaz vers la face arrière du déflecteur 7, avec une vitesse relativement petite, en raison de la pression statique relativement faible qui règne en aval du déflecteur 7. Grâce à ce vortex, la combustion allumée dans lavirole 5 par un moyen convenable quelconque, par exemple par une bougie, peut se stabiliser. te profil de la virolé 5 est déterminé pour contenir cette zone de sillage avec son vortex et la virole forme ainsi chambre de combustion délivrant vers la fente 8 des gaz très chauds qui réchauffent le reste du mélange carburé s'écoulant dans le canal à l'extérieur de la virole et déterminent sa combustion. De plus, les parois latérales de la virole sont percées d'orifices 9 et 9' au droit de la zone de sillage (au droit de la partie arrière de cette zone, sur la figure 2) de sorte que sous l'effet de la différence entre la pression statique du fluide s'écoulant à l'extérieur de la virole et la pression statique réduite qui règne dans la zone de sillage à l'intérieur de la virole, du gaz de l'extérieur pénètre dans la virole par ces orifices 9 et 9' pour venir alimenter le vortex et participer à la combustion. Ainsi avec un tel dispositif, non seulement le jet de gaz très chaud (sa température peut atteindre 1 700 C par exemple) fourni à la veine carburée, pour la combustion, est élaboré à l'intérieur de l'enceinte que constitue la virole 5 et non plus directement dans cette veine, mais encore le débit de ce jet, délivré par la fente annulaire 8 ne dépend plus seulement de la section des orifices frontaux 6. Ce débit depend aussi en effet de la section des trous latéraux 9, 9'. Ce débit peut donc être augmenté par rapport au cas où les orifices frontaux 6 existeraient seuls, tout en conservant la bonne stabilité de la combustion en aval du déflecteur et sans avoir à augmenter par trop la surface du déflecteur 7, c'est-àdire l'obstruction déterminée par ce déflecteur dans le canal. I1 y a avantage à décaler la position des orifices 9 et 9':. par rapport à celle des orifices frontaux 6 comme le montre la figure 3. Pour favoriser la pénétration dans la virole, par les trous 9 et 9', du gaz s'écoulant à l'extérieur de cette virole, on peut prolonger la paroi de ces trous à l'intérieur de la virole vers la zone do sillage existant à l'aval du déflectour 7, comme le montre la figure 2. Ceci est facile à réaliser par emboutissage de la paroi de la virole, ce qui procure en même temps un arrondi favorable à la pénétration. On peut aussi dans le même but prévoir sur la virole en aval des trous 9 et 9' des saillies 10t lot perpendiculaires à la virole ou obliques dont l'effet est d'augmenter au droit des orifices 9 et 9' la pression statique du fluide s'écoulant à l'extérieur de la virole. Les deux dispositions peuvent être combinées. Les orifices 3 situés dans la rampe circulaire 2 donnent lieu, en aval de la rampe, à une concentration carburant/air hétérogène, de sorte que les trous frontaux 6 et les orifices latéraux 9 et 9' ne sont pas alimentés avec un taux de carburation homogène, ce taux étant généralement plus élevé pour les trous 6 que pour les trous 9, 9'. iais loin de donner lieu à un inconvénient, cette hétérogénéité est avantageuse. La zone de retour qui se trouve à l'in- térieur du dispositif et en aval du déflecteur 7 (fig. 2) est alimentée par un mélange comportant un taux de carburation trop élevé, qui peut être largement super-stochiométrique. L'alimentation des orifices latéraux étant assurée avec un taux ude carturation beaucoup plus faible, elle apporte des éléments permettant la combustion des imbrûlés provenant du débit qui a traversé les trous frontaux. Le rapport de la section totale des trous frontaux 6 à la section totale des trous latéraux 9, 9' joue un rôle dans l'obtention du rapport maximum carburant-air correspondant à l'extinc- tion riche et du rendement maximum. Ce rapport dépend du Mach M, de la température absolue T et de la pression statique 2 de ltécoulemcnt dans le canal,ainsi que de la réduction d section du canal introduite par la virole. te rapport optimum pourra être déterminé par des essais dans chaque cas particulier. La demanderesse a trouvé par exemple que si le paramètre de similitude de combustion O 8; O 8 varie de 0,8 à 1,15 dans le canal de post-combustion et si la virole introduit une réduction de section du canal d'environ 10 , la valeur optimum du rapport section totale des trous frontaux 6 s'établit entre section totale des trous latéraux 9 et 9' environ 0,14 et 0,16. Par exemple pour M compris entre 0,30 et 0,43, T compris entre 780 et 820s C, p compris entre 1,2 et 1,5 bars et pour un nombre de trous frontaux 6 égal au nombre de paires de trous latéraux 9, 9', on a obtenu de bons résultats en donnant aux trous 6 un diamètre de 4,2 !' et à chacun des trous 9, 9' un diamètre de 8 mm. La fente arrière 8 de la virole est de préférence à parois convergentes afin de mettre en vitesse les gaz élaborés dans lavirole et d'obtenir que leur vitesse dc sortie s'approche autant que possible de la vitesse de l'écoulement principal. En aval de la fente 8 l'écoulement extérieur et les gaz éjectés de la virole sont délimités par des surfaces coniques 11 et 11', 12 et 12' respectivement tes nappes annulaires se chevauchent en formant en 13 et 13' des zones de mélange. ta longueur d'inflammation L dans l'écoulement extérieur est d'autant plus réduite que la température des gaz sortant en 8 est plus élevée. te dispositif est naturellement complété par des moyens de fixation de la rampe 2 et de la virole 5. La figure 1 montre des entretoises 14 reliant entre elles la rampe et la virole ainsi que des tiges 15 fixant le tout sur le cône de fuite 16 de la turbine. I1 va d'ailleurs de soi que les modes de réalisation décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemples et qu'ils pourraient etre modifiés, notamment par substitution d'équivalents techniques sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention. REVEETDICATIONS 1. Dispositif d'entretien et de stabilisation d'une corzbus- tion dans un milieu gazcux en écoulement rapide, comportant un déflecteur ou écran solide, place dans le courant gazeux en aval d'un injecteur ce combustible et créant derrière lui une zone de sillage à vitesse réduite dans laquelle la flamme peut se maintenir, caractérisé en ce que ce déflecteur avec sa zone de sillage sont enfermés dans une enceinte formant chambre de combustion et qui comporte, en plus d'un ou plusieurs orifices frontaux situés en amont du déflecteur pour capter avec sa pression totale du mélange carburé et d'un ou plusieurs orifices postérieurs pour délivrer les gaz de combustion à haute tempéra- ture dans la veine s'écoulant à l'extérieur de ladite enceinte, ou ou plusieurs orifices latéraux adaptés pour alimenter la zone de sillage en val du déflecteur par du gaz carburé, capté à l'extérieur de l'enceinte sous l'effet de la différence entre la pression statique extérieure et la pression statique réduite dans la zone de sillage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices latéraux font saillie à l'intérieur de l'en- ceinte, de nnie à déboucher dans la zone de sillage située en aval du déflecteur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les orifices latéraux sont suivis de parois en saillie agencées à l'extérieur de l'enceinte ct adap tées pour aug.lenter la pression statique de l'écoulement exté rieur à la virole au droit des orifices latéraux. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caract > -risé en ce que l'enceinte a la forme d'une virole annulaire percée d'orifices frontaux situes en aval d'orifices de pulvérisation du combustible et d'orifices latéraux sur le flanc extérieur et sur le flanc intéricur de ladite virole, qui se termine dans sa partie aval par un orifice annulaire continu pour la sortie des gaz à haute terpérature. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes des orifices latéraux sont décalés par rapport aux axes des orifices frontaux. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section totale des orifices frontaux -et la section totale des orifices latéraux sont adaptées l'une à l'autre pour obtenir dans l'enceinte le rapport maximum carburent air correspondant à l'extinction riche et le rendenient maximun de sorte que, par exemple, pour un paramètre de sirilitude dc combustion compris entre 0,8 et 1,15, le rapport desdites sections totales est compris entre environ 0,14 et 0,16.