Brevet FR2194881A1 — publié le 19740301

La présente invention se rapporte à un dispositif de combustion perfectionné qui empêche des températures excessives du métal dans la zone du dôme de la chambre de combustion sans altérer les caractéristiques de réallumage en altitude, de faibles émissions de fumées et de répartition des températures de sortie du dispositif de combustion et d'injection de carburant. On remédie aux difficultés rencontrées dans les réalisations connues à l'aide d'un dispositif de combustion comportant une chicane qui entoure totalement la région du dôme du dispositif. On ménage alors dans le dôme un nombre relativement petit de trous d'air de refroidissement. Ces trous sont conçus de façon à assurer un fort refroidissement par convection de la structure métallique en créant un film de réfrigérant le long du dôme et le long des garnitures de la chambre de combustion. De cette manière, on maintient la région du dôme du dispositif de combustion à une température bien plus basse que dans les réalisations connues tout en satisfaisant aux mêmes conditions globales d'écoulement du réfrigérant et en n'affectant pas les caractéristiques fondamentales de réallumage et d'émissions de fumées du dispositif. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent Fig. 1, une coupe axiale fragmentaire d'un dispositif de combustion d'un moteur à turbine à gaz comportant la partie en forme de dôme perfectionnée de l'invention, et Fig. 2, une coupe transversale avec des parties supprimées, du dispositif perfectionné de la Fig. 1. Sur les dessins où des références numériques identiques correspondent à des parties identiques, on a représenté sur la Fig. 1 un dispositif de combustion continue d'un type approprié pour être utilisé dans un moteur à turbine à gaz, ce dispositif étant désigné dans son ensemble par la référence 10 et comprenant une enveloppe 12 délimitant une chambre de combustion 14. L'enveloppe 12 comporte une partie d'amont 16 en forme de dôme pourvue en son centre d'une ouverture i8 de manière à recevoir un dispositif de dosage d'air et de carburant 20. La partie en forme de dôme 16 définit l'extrémité d'amont de la chambre de combustion 14 et est fixée d'une manière appropriée sur l'enveloppe 12.Comme cela est bien connu, la chambre de combustion 14 peut-avoir différentes formes, par exemple annulaire, semi-annulaire ou autres. Sur les dessins et dans la description qui va suivre, on se réfèrera essentiellement à une chambre de forme semi-annulaire, bien que cela ne soit pas limitatif de l'invention. Comme mentionné précédemment, le dispositif de dosage air-carburant 20 est agencé comme décrit dans le brevet des Etats-Unis NO 3.648.457. Le dispositif de dosage air-carburant 20 comporte un carter 22 pourvu de parois 24 et 26 situées respectivement en amont et en aval- et axialement espacées, la paroi d'aval 26 étant pourvue d'un orifice de sortie 28 communiquant avec la chambre 14 par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée 18. On prévoit une rangée annulaire d'aubes 30 pour diriger un écoulement d'air sous pression fourni par une source appropriée, telle qu'un compresseur (non représenté), vers l'intérieur du carter 2@ afin de produire dans ce dernier une masse d'air en turbulence et de faire sortir un écoulement tourbillonnaire par l'orifice 28, comme indique en 32. On prévoit des moyens pour injecter du carburant à l'intérieur du carter 22 et en direction des aubes 30, ces moyens étant représentés @n @4 sur la Fig. 1 et comprenant un injecteur pourvu d'une extrémité de dcharge 36 et agencé pour utiliser la pression du carburant de manière à produire un jet conique et un jet radial do carburant atomisé. L'extrémité de décharge 36 de l'injecteur traverse la paroi d'amont 24 du carter 22 et elle est disposée de préférence de manière que son axe de décharge coïncide avec l'axe de l'orifice de sortie 28 du carter. O a décrit de façon plus détaillée des injecteurs tels que 34 dans le brevet américain précité. Le carter 22 peut comporter des moyens de canalisation de fluide situés à l'extérieur des aubes 30 afin d'obtenir un écoulement efficace et aéro-dynamique de l'air comprimé pour améliorer le degré de turbulence à l'intérieur du carter. Par exemple, comme indiqué sur les Fig. 1 et 2, la paroi d'amont 24 et la paroi d'aval 26 du carter peuvent être incurvées de façon à former un orifice d'entrée 38 de profil annulaire permettant l'introduction d'air comprimé dans le carter 22. Jusqu'à ce point de la description, le dispositif de dosage air-carburant 20, ou dispositif de carburation, est identique à ce qui a été décrit dans le brevet américain précité. Lorsque l'air entrant se trouve à une température relativement basse, par exemple lors du démarrage du moteur à turbine à gaz ou bien dans des applications nécessitant un rapport carburantair de valeur élevée ou bien pendant des conditions de réallumage en altitude, on a trouvé qu'il était possible de faire passer le carburant par l'orifice de sortie 28 et le long d'une paroi annulaire 40 qui délimite cet orifice.Pour assurer une répartition efficace et déterminée de l'écoulement de carburant le long de la paroi 40 en vue d'améliorer les caractéristiques d'inflammation et de combustion totale du mélange air-carburant sortant du dispositif 20, on pourvoit ce dernier de moyens permettant d'introduire un écoulement d'air secondaire dans la chambre de combustion 14 autour et le long de la paroi 40 de manière que cet air entrain du carburant collecté sur la paroi 40 sous la forme d'un jet atomisé dans la chambre de combustion 14. Bans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 1, la paroi 80 s'étend en aval, par l'intermédiaire de l'entrée 18, jusque dans la chambre de combustion 14. Les moyens 42 canalisant l'écoulement d'air secondaire comprennent plusieurs aubes de contre-turbulence 44 espacées radialement vers ltextérieur de la paroi 40 et entourant celle-ci sous la forme d'une rangée circulaire. Les aubes de contre-turbulence 44 sont fixées de façon appropriée entre la paroi 26 et une couronne 46 espacées axiale ment en aval de celle-ci. La rangée d'aubes de contre-turbulence 44 et la couronne 46 sont espacées radialement vers l'extérieur de la paroi 40 afin de former un passage annulaire 48 stétendant axialement entre elles et sensiblement co-axial à l'orifice de sortie 28 et à l'écoulement tourbillonnaire 32. Une partie de l'air sortant du compresseur (non représenté) pénètre dans le passage 48 en passant par les aubes de contre-turbulence 44. Les aubes 44 sont agencées pour faire tourbillonner cet écoulement d'air et pour produire un second écoulement tourbillonnaire à partir d'un orifice de sortie 50 à 11 extrémité d'aval du passage 48. Cet écoulement tourbillonnaire secondaire tourne de préférence dans un sens opposé à celui du tourbillon primaire 32. De cette manière on créé en aval d'un orifice de sortie 52 formé par l'extrémité de la paroi 40 une zone de forte contrainte de cisaillement. En service, du carburant s'écoulant le long de la paroi 40 est entrainé vers son extrémité d'aval sous la forme d'un écoulement tourbillonnaire par le tourbillon 32. Le carburant est alors emporté par tourbillonnement ou par cisaillement de l'extrémité d'aval de le paroi 40 par les écoulements primaire et secondaire dans la zone à forte contrainte de cisaillement où il est divisé en petites gouttelettes qui se vaporisent rapidement. En conséquence, en pourvoyant le dispositif de carburation 20 des moyens de génération d'écoulement secondaire 42, on obtient une introduction efficace et déterminée de tous les carburants liquides provenant des injecteurs 34 dans la large gamme de conditions de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz. Le dispositif de carburation 20 permet par conséquent d'obtenir un système de combustion produisant peu de fumées visibles et des niveaux relativement bas d'émission de gaz d'échappement. Pour éviter des températures excessives du métal dans la zone située immédiatement en aval des orifices de sortie 50 et 52 sans affecter les écoulements tourbillonna ires sortant de cex-ci, on pourvoit la partie 16 en forme de dôme d'une chicane 54 qui entoure la partie 16 et coopère avec elle pour former deux chambres annulaires 56, 58 d'air de refroidissement. La chicane 54 comporte à son extrémité d'amont un orifice circulaire 64 de dimension telle qu'il s'emboîte étroitement autour de la partie 16 au niveau de l'orifice 18 afin d'empêcher un écoulement de l'air entre la partie 16 et la chicane 54 à leur extrémité d'amont. De même, à peu près au milieu de la longueur de la partie 16 en forme de dôme, on munit la chicane d'impacts 54 d'un moyen permettant de réduire l'écoulement entre les chambres 56 et 58 et comprenant une partie plate 66 de dimension telle qu'elle coopère avec une partie élargie 68 de la partie 16 en forme de dôme afin de supprimer ou de réduire le plus possible l'écoulement entre les chambres 56 et 58. Enfin, on pourvoit l'extrémité d'aval de la chicane 54 d'une partie plane 70 qui coopère avec une seconde partie élargie 72 de la partie 16 en forme de dôme afin d'empêcher un écoulement entre l'extrémité d'aval de la chicane 5i et cette partie 16.On notera que, dans des structures où les pressions régnant dans les chambres 56 et 58 sont relativement égales, il ntest pas aussi impératif d'étrangler l'écoulement entre les chambres et on peut supprimer dans certains cas la partie plate 66. Comme le montrent clairement les Fig. l et 2, la chicane 54 est pourvue de plusieurs petits orifices 74 agencés pour faire arriver l'air de refroidissement provenant du comprend seur (non représenté) sensiblement à angle droit sur l'extérieur de la partie 16 en forme de dôme. Une partie de l'air de refroidissement qui passe par les orifices 74 sort ensuite des chambres 56 et 58 par l'intermédiaire de plusieurs trous 76 ménagés dans les zones élargies 68 et 72 de la partie 16. Pour maintenir les dimensions des trous 76 à des valeurs appropriées et pour remplir d'autres fonctions souhaitables comme décrit ci-dessous, on ménage dans la partie 16 en forme de dôme respectivement en amont des zones élargies 68 et 72, une ou plusieurs rangées de trous 78 et 80 qui sont inclinés d'angles relativement faibles.Ces trous 78 et 80 permettent à l'air de sortir des chambres d'impact 56 et 58 et par conséquent de réduire les effets d'écoulement transversal qui pourraient sutrement diminuer les coefficients de trsnsmission de chaleur 13. Les trous 78 sont placés à proximité du point où une partie de l'écoulement provenant du dispositif de carburation 20 a tendance à recoller sur le côté chaud de la partie 16 en forme de dôme. On a schématisé cet écoulement par les flèches A sur la Fig. 1. Ainsi l'écoulement d'air passant par les trous 78 a une influence stabilisatrice sur le recollement d'écoulement, en évitant ainsi d'atteindre des valeurs élevées pour les gradiants thermiques circulaires.On prévoit dans la zone élargie 68 une seule rangée de trous 82 pour évacuer la chaleur de cette zone par refroidissement par convection en vue de réduire les contraintes thermiques dans cette zone. Le faible angle d'inclinaison de ces trous établit des passages de longueur suffisante pour assurer le refroidissement par convection voulu de la structure métallique. Les trous .78 et 80 exercent également un certain refroidissement par convection dans cette structure. Le fluide de refroidissement sortant des trous 78, 80 et 82 s'écoule suivant un angle réduit par rapport à la paroi, ce qui permet d'améliorer l'efficacité de refroidissement par le film d'air ainsi produit. Comme décrit ci-dessus, la chicane 54 augmente sensiblement les coefficients de transmission de chaleur sur le côté froid de la partie 16 en forme de dôme et elle réduit ainsi sensiblement la température de cette partie 16. On obtient cette réduction de température sans altération des tourbillons de carburant à inJecter formés par le dispositif de carburation 20.Ainsi on fait d'abord arriver l'air de refroidissement sur la surface intérieure de la partie 16 en forme de dôme et on incline les trous de refroidissement 78, 80 et 82 d'un angle suffisamment faible, par exemple de 15 à 30 degrés, par rapport à la surface de la paroi métallique pour que ce même écoulement d'air puisse refroidir par convection la structure métallique en passant dans lesdits petits trous et puisse ensuite refroidir sous forme d'un film la surface intérieure de la partie 16 et l'enveloppe 12.En inclinant les trous de passage d'air d'angles relativement petits par rapport à la surface de la paroi métallique e- en disposant les rangées d'amont desdits trous à proximité du point de recollage d'écoulement sur la surface intérieure de 1 partie 16, on obtie5-*t une réduction sensible des niveaux de contraintes thermiques dans cette partie 16 sans altération des caractéristiques d'inelammation initiale, de réallumage en altitude, de faible production de famées et de faible émission des gaz d'échappement dans le système de combustion 10 et en utilisant la même quantité totale d'air de refroidissement que dans une structure refroidie classiquement par film d'air et dans laquelle il se produirait des températures excessives de métal. Dans un ou plusieurs endroits répartis circulairement, on peut équiper le système de combustion 10 d'un dispositif d'inflammation approprié 84 (représenté en tirets). Dans ces endroits, la partie 16 en forme de dôme et la chicane 54 comprennent une ouverture circulaire 86 destinée à recevoirunmanchon cylindrique 88 agencé pour recevoir le dispositif d'inflammation 84. On pourvoit le manchon 88 d'un joint d'étanchéité approprié 90 pour empêcher du gaz à haute température de sortir à l'extérieur de la zone de combustion 14. Pour maintenir un écoulement d'air de refroidissement uniforme le long de la paroi extérieure de la partie 16 et vers l'aval du dispositif d'inflammation, on pourvoit cette partie 16 d'un certain nombre de trous supplémentaires de passage d'air 92 situés immédiatement en aval des emplacements occupés par les dispositifs d'inflammation. Les trous 92 sont agencés pour faire arriver de l'air de refroidissement sur une lèvre 94 qui s'étend vers l'aval du cylindre 88 dans une direction sensiblement parallèle à la surface intérieure de la partie 16. La lèvre 94 agit de manière à orienter l'écoulement passant par les trous 92 dans une direction sensiblement axiale. De cette manière on élimine les gradiants thermiques circulaires qui pourraient être produits par les dispositifs d'inflammation. Revendications l.- Dispositif d'injection de carburant et de combustion pour un moteur à turbine à gaz du type comprenant un compresseur et une turbine, caractérisé en ce qu'il comprend une zone de combustion délimitée par au moins une enveloppe, une partie en forme de dôme constituant l'extrémité d'amont de cette zone de combustion et une chicane entourant totalement la partie en forme de dôme et comprenant plusieurs petits orifices d'écoulement d'air qui sont agencés pour faire arriver l'air de refroidissement sur une grande étendue de ladite partie en forme de dôme. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie en forme de dôme et la chicane cooptèrent pour former entr'elles plusieurs chambres indépendantes d'air de refroidissement et en ce que ladite partie en forme de dôme et ladite chicane comprennent des moyens empêchant pratiquement ltécoulement d'air entre lesdites chambres. 5.- Dispositif suivant la revendication l, caractérisé en ce que ladite partie en forme de dôme comporte plusieurs trous de refroidissement agencés pour canaliser l'air provenant desdites chambres dans la zone de combustion sous la forme d'un film réfrigérant s'écoulant le long de la paroi intérieure de ladite partie en forme de dôme. 4.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits trous de refroidissement sont inclinés d'un angle relativement faible par rapport à la surface de la partie en forme de dôme de manière qu'il se produit dans lesdits trous un refroidissement par convection lorsque du réfrigérant s'écoule desdites chambres vers ladite paroi intérieure de la partie en forme de dôme. 5.- Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits trous de refroidissement sont répartis suivant des rangées circulaires et en ce qu'au moins une rangée desdits trous est placée à proximité du point de recollage d'écoulement sur le côté chaud de la partie en forme de dôme. 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une rangée desdits trous de refroidissement est agencée pour débiter de l'air sous forme d'un film le long de l'enveloppe délimitant la zone de combustion. 7.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la partie en forme de dôme et la chicane coopèrent pour définir au moins une ouverture destinée à recevoir un dispositif d'injection d'air et de carburant. 8.- Dispositif suivant la revendication 7, caractéri sé en ce que le dispositif d'injection d'air et de carburant comprend un carter pourvu d'un orifice de sortie placé dans ladite ouverture et pourvu de plusieurs aubes de canalisation de fluide réparties sous la forme d'une rangée annulaire et radia lement espacées autour de l'orifice de sortie, lesdites aubes étant agencées pour diriger de l'air comprimé radialement vers l'intérieur et pour produire un écoulement tourbillonnaire d'air à l'intérieur dudit carter et un écoulement tourbillonnaire sortant par ledit orifice de sortie, ainsi que des injecteurs de carburant disposés dans le carter et agencés pour introduire du carburant à l'intérieur du carter. 9.- Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif d'injection d'air et de carburant comprend en outre des moyens pour produire un écoulement d'air de contre-turbulence autour de l'écoulement tourbillonnaire sortant par ledit orifice de sortie. 10.- Chicane d'air utilisable dans un dispositif de combustion d'un moteur à turbine à gaz comprenant au moins une enveloppe délimitant une zone de combustion et une partie en forme de dôme reliée à l'enveloppe et formant l'extrémité d'amont de ladite zone de com bustion, chicane caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs trous d'écoulement d'air agencés pour faire arriver de l'air de refroidissement sur une grsnde étendue de la partie en forme de dôme et en ce que la partie en forme de dôme comporte plusieurs trous de passage d'air ayant une longueur suffis ante pour permettre à l'air de refroidissement s'écoulant dans ces trous de refroidir initialement par convection la structure métallique de la partie en forme de doms puis de former un film d'air de refroidissement sur la surface intérieure d. ladite partie en forme de dôme et de ladite enveloppe.