Brevet FR2121759A1 — publié le 19720825

i 2121759 La présente invention est relative aux procédés d'injection de carburant dans des dispositifs de combustion à carburant liquide, selon lesquels le carburant peut être prémélangé avec de l'air avant d'entrer dans h zone de combustion, et elle est en particulier applicable aux atomiseurs 5 à air comprimé pour moteurs à turbine à gaz. Dans la plupart des moteurs à turbine à gaz, le carburant est injecté dans la chambre de combustion au moyen d'un atomiseur ou pulvérisateur à pression, dans lequel le carburant est forcé sous-pression à travers un petit orifice d'où il émerge sous la forme d'une multitude de gouttelettes 10 de carburant atomisé ayant une vitesse élevée. Un autre procédé connu pour l'injection de carburant utilise un atomiseur à air comprimé, qui est un dispositif dans lequel le carburant est divisé en gouttelettes sous l'action d'un courant d'air à vitesse élevée. Ce courant d'air entre ensuite dans la zone de combustion en emportant le carburant atomisé avec lui. 15 Etant donné que les gouttelettes de carburant sont portées en totalité par l'air, les atomiseurs à air comprimé ont l'avantage, comparativement aux atomiseurs à pression, que la distribution des gouttelettes de carburant dans la zone de combustion est régie par le schéma d'écoulement d'air, restant relativement constant sous toutes les conditions de fonction-20 nement. Par conséquent, la distribution de température dans les gaz d'échappement de la chambre a également tendance à rester constante, ce qui se traduit par une augmentation de la durée de service des ailettes de la turbine. Les atomiseurs à air comprimé ont en outre l'avantage qu'ils évitent la nécessité de prévoir des pompes à carburant pouvant travailler sous des 25 pressions élevées ; de plâs, comme le carburant pénètre dans la zone de combustion après avoir été mélangé avec de l'air, la combustion se caractérise par une flamme bleue de faible luminosité, de sorte que les parois du tube de flamme restent relativement froides et que la quantité de fumée à l'échappement est minimale. 30 De nombreux types de chambres de combustion pour turbines à gaz comprennent un dispositif, appelé ci-après "tourbillonneur d'air" qui est monté à l'extrémité côté amont du tube de flamme. La fonction primaire de ce tourbillonneur, ci-après appelé "tourbillonneur extérieur", est d'assurer l'admission d'air dans le tube de flamme d'une manière et suivant une 35 direction destinées à promouvoir un recyclage stable du courant dans la zone de combustion primaire. Il est bien connu que des taux de combustion très élevés peuvent être obtenus lorsque le carburant est injecté dans des zones de forte turbulence 72 00837 > 2121759 et d'efforts de cisaillement importants. Le but de l'invention est de créer une telle zone de forte turbulence et d'efforts de cisaillement importants par la prévision d'un tourbillonneur d'air supplémentaire. La fonction de ce tourbillonneur est de produire un courant d'air tourbillonnairequi est 5 situé concentriquement à l'intérieur du courant d'air produit par le tourbillonneur extérieur, mais dont Ta composante tourbillonnaire est opposée à celle du courant produit par le tourbillonneur extérieur. Des dispositifs sont prévus pour transformer le carburant alimenté en une pellicule continue qui est ensuite atomiséesous l'action de l'air à haute vitesse et injecté dans 10 l'interface de ces deux courants d'air tourbillonnaires tournant en sens contraires. L'invention est basée sur les résultats d'essais qui ont démontré que : a) L'atomisation est optimale lorsque le carburant est étalé 15 en une pellicule continue exposée des deux côtés à de l'air à haute vitesse. b) Le prémélange du carburant et de l'air avant la combustion produit une flamme propre, exempte de suie et de faible luminosité. c) Des taux de combustion élevés sont obtenus lorsque le carburant est injecté dans la zone de forte turbulence et d'efforts de cisaillement 20 importants à l'interface de deux courants d'air tourbillonnaires de sens contraires. L'invention crée un procédé pour l'injection de carburant liquide qui est caractérisé par l'étalement du carburant en une pellicule mince, et par l'exposition subséquente des deux côtés de cette pellicule à l'action 25 atomisante d'air tourbillonnaire à haute vitesse grâce à l'injection de la pellicule de carburant dans la zone de forte turbulence et d'efforts de cisaillement importants à l'interface de deux courants d'air tourbillonnaires de sens contraires. L'invention crée également un atomiseur à air comprimé pour la 30 mise en oeuvre de ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, ainsi que des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale d'un injecteur de carburant 35 suivant l'invention, d'après un premier mode de réalisation ; - la figure 2 e?t une coupe transversale de 1'injecteur représenté sur la figure 1, suivant la ligne II-II ; et 72 00837 3 2121759 - la figure 3 est une coupe axiale drun injecteur de carburant d'après un second mode de réalisation. La figure 1 montre un premier exemple de réalisation d'un injecteur de carburant suivant l'invention, comprenant, sous forme d'un ensemble, un 5 tourbillonneur d'air central et, concentriquement par rapport à lui, un atomiseur à air comprimé et un tourbillonneur d'air extérieur. L'ensemble est porté par un bras d'alimentationcfe carburant 1, présentant un passage 2 pour l'amenée du carburant jusqu'à l'atomiseur à air comprimé. Plusieurs passages axiaux 30 servent à l'écoulement du carburant du passage 2 jusqu'à 10 un espace annulaire 4 formé entre un prolongement 5 d'un corps principal 6 et un embout concentrique 7 servant à la formation d'une pellicule de carburant, qui est engagé dans une emboîture 8 et retenu par un écrou 9. De" l'air est soufflé vers une lèvre pulvérisatrice 10 par un tourbillonneur extérieur 11 et à travers un petit passage annulaire 12 formé entre 15 l'embout 7 et le tourbillonneur extérieur 11. L'écrou 9 sert également au maintien en place d'une rondelle d'étanchéité 13 pour le carburant entre le corps principal 6 et la face extrême 14 de l'embout 7. A l'extrémité côté décharge de l'espace annulaire 4 recevant le carburant, des orifices de tourbillonnement 15, usinés dans le prolongement 5, sont délimités d'un 20 côté par un épaulement 16 prévu sur l'embout 7, de manière à définir un passage de décharge pour le carburant. Une paroi intérieure divergente 17 de l'embout 7 sert à l'acheminement du carburant déchargé et tourbillonnant sous forme d'une pellicule continue et uniforme jusqu'à la lèvre 10 de pulvérisation à air. La paroi interne 18 du corps principal de l'atomiseur 25 et un élément central 19 sont reliés par trois aubes 20 équidistantes et forment avec celles-ci un passage à air intérieur 21 pour le transport de l'air jusqu'au tourbillonneur intérieur 22 et jusqu'à la lèvre pulvérisatrice 10. Le corps 23 du tourbillonneur d'air intérieur est fixé par une 30 vis 25 sur un prolongement conique 24 de l'élément central 19. L'enveloppe 26 du tourbillonneur intérieur constitue une séparation entre l'air traversant le tourbillonneur d'air intérieur et l'air s'écoulant vers la lèvre pulvérisatrice 10. Dans l'agencement représenté sur la figure 1, aucune partie métal-35 lique n'est exposée à la flamme et il n'y a pas de zones non ventilées dans lesquelles pourraient se produire des formations de suie et des dépôts de carbone. D'autres avantages encore résultent de l'utilisation d'ailettes de tourbillonneur qui induisent des sens giratoires opposés entre l'air sortant 72 00837 4 2121759 du tourbillonneur intérieur et celui sortant du tourbillonneur extérieur. Il est bien connu que les taux de combustion les plus élevés sont obtenus dans les zones de forte turbulence et d'efforts de cisaillement importants. Dans l'atomiseur représenté sur la figure 1, de telles zones sont créées 5 à l'interface entre les courants d'air tourbillonnaires intérieur et extérieur. Gomme ces zones contiennent également une forte concentration de carburant atomisé, on obtient des taux de combustion très élevés. L'agencement représenté sur la figure 1 est particulièrement avantageux s'il est utilisé en conjonction avec un injecteur de carburant 10 pilote, par exemple un injecteur du type décrit dans le brevet britannique n° 1.031.184, et représenté sur la figure 3. Des parties identiques des exemples de la figure 1 et de la figure 3 portent les mêmes références. Dans ce second exemple, 1'injecteur combiné de carburant est porté par un bras d'alimentation 1 présentant des passages 2 et 27 pour l'amenée du 15 carburant jusqu'à l'atomiseur à air comprimé et jusqu'à une tuyère de pulvérisation pilote. Un prolongement du passage 27 traverse le corps principal 6 et les aubes de support 20, de sorte que le carburant peut Être amené axialement à travers l'élément central 19 jusqu'à une tuyère de pulvérisation pilote 28. Cette dernière comprend plusieurs parties, désignées par 28, 29 20 et 30, qui sont maintenues en place par un écrou 31, servant également à la fixation du tourbillonneur d'air intérieur 22 ; une petite partie de l'air s'écoulant à travers le passage à air intérieur 21 passe à travers un espace 32 évitant le dépôt de carbone jusqu'à la partie avant de la tuyère de pulvérisation 28. 25 Lorsque le débit de carburant est faible, la totalité du carburant passe par la tuyère de pulvérisation pilote 28 et l'air comburant est fourni par le tourbillonneur d'air intérieur qui est agencé en premier lieu de manière à produire une combustion optimale du carburant pilote. Lorsque le débit de carburant est élevé, la totalité ou la majeure partie du carburant 30 passe à travers le dispositif atomiseur à air comprimé qui vient d'être décrit et se mélange principalement avec l'air sortant du tourbillonneur extérieur, conçu spécialement pour la combustion optimale du carburant sortant de l'atomiseur à air comprimé. 72 00837 5 2121759 REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'injecticn de carburant liquide, caractérisé par l'étalement du carburant en une pellicule mince, et par l'exposition 5 subséquente des deeux côtés de cette pellicule à l'action atomisante d'air tourbillonnaire à haute vitesse grâce à l'injection de la pellicule de carburant dans la zone de forte turbulence et d'efforts de cisaillement importants à l'interface de deux courants d'air tourbillonnaires de sens contraires. 10 2. ' Atomiseur à air comprimé pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication"!, caractérisé en ce qu'il comprend un tourbillonneur d'air central, un élément atomiseur disposé concentriquement par rapport à ce tourbillonneur, et un tourbillonneur d'air extérieur disposé concentriquement par rapport au tourbillonneur central et par rapport à l'élément 15 atomiseur. 3. Atomiseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits tourbillonneurs et ledit élément atomiseur forment un ensemble porté par un bras d'alimentation de carburant présentant un passage pour l'amenée de carburant jusqu'à l'atomiseur. 20 4. Atomiseur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs passages axiaux pour l'amenée de carburant dudit passage jusqu'à un espace annulaire formé entre un prolongement d'un corps principal et un embout disposé concentriquement pai rapport à celui-ci et servant à la formation d'une pellicule de carburant, et en ce que de l'air ést dirigé 25 vers une lèvre prévue sur ledit élément atomiseur par le tourbillonneur extérieur et à travers un passage annulaire formé entre ledit embout et le tourbillonneur extérieur. 5. Atomiseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un écrou sert au maintien en place dudit embout dans une emboîture ainsi qu'à 30 celui d'une rondelle d'étanchéité pour le carburant entre le corps principal et la face extrême de l'embout. 6. Atomiseur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le corps principal et un élément central sont montés sur trois aubes équidis-tantes pour former avec celles-ci un passage à air intérieur destiné à 35 l'amenée de l'air jusqu'au tourbillonneur intérieur et jusqu'à ladite lèvre pulvérisatricc. 72 00837 6 2121759 7. Atomiseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps principal présente un passage supplémentaire dans son centre, ce passage menant à une tuyère de pulvérisation pilote, de sorte que du carburant peut être amené axialement à travers le corps principal jusqu'à 5 ladite tuyère de pulvérisation pilote. 8. Atomiseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tuyère de pulvérisation comprend plusieurs parties maintenues en place par un écrou servant également à la retenue du tourbillonneur d'air intérieur sur le corps principal, et en ce qu'une petite partie de l'air s'écoulant 10 à travers le passage à air intérieur passe par un espace destiné à éviter le dépôt de carbone jusqu'à la face avant de la tuyère de pulvérisation.