Brevet FR2186601A1 — publié le 19740111

La présente invention se rapporte a des perfectionnements aux dispositifs de combustion de carburant, en particulier à celxx qui sont utilisés dans des moteurs à turbine à gaz, et à des injecteurs de carburant perfectionnés pour ces dispositifs. Bien qu'on utilise dans de nombreuses applications des dispositifs de combustion pour brûler du carburant afin de créer un courant de gaz chauds, une des plus importantes, sinon la plus importante, est l'application aux moteurs à turbine à gaz, en particulier aux moteurs d'avion qui sont soumis à des exigences particulières. Les moteurs d'avion fonctionnent dans un large domaine de conditions de pression et de température ambiante dans lequel on doit maintenir ou faire varier la combustion dans une large plage de débits de carburant et de rapports carburant/air. En outre, on exige de hauts rendements de combustion en même temps d'une combustion sans fumée. Par conséquent, l'invention a pour but de mieux satisfaire les exigences précitées que les dispositifs de combustion connus. Précédemment, on a satisfait ces exigences de la façon la plus efficace à l'aide de dispositifs de combustion annulaires dans lesquels des gicleurs introduisent du carburant atomisé dans la zone de combustion. Une des difficultés les plus importantes rencontrées a été l'atomisation convenable de quantités de carburant pour des débits variant dans de grandes proportions. Ce problème cependant n'a pu être parfaitement résolu, même avec des gicleurs de conception compliquée. Une autre difficulté consiste en ce que, lors de l'accroissement des débits des gicleurs, le carburant doit être comprimé à des pressions élevées. Ceci complique le dispositif de pompage et augmente le poids des composants transportant le carburant à haute pression. En conséquence, l'invention a en outre pour but de diminuer les difficultés qu'on rencontre normalement lors de l'injection du carburant dans une chambre de combustion à des débits variant dans de larges proportions. On a remédié à ces difficultés en utilisant un injecteur de carburant comprenant une coupelle divergente ouverte vers la zone de combustivn. L'air introduit au moyen de fentes tangentielles, c'est-à-dire des fentes obliques par rapport aux directions radiales, pratiquées dans la coupelle crée un vortex axial qui disperse effectivement le carburant introduit par un passage tangentiel ménagé à l'arrière de la coupelle. Une plaque s'étend vers I'extérieur à partir de l'extrô- mité aval de la coupelle. L'air s'écoulant autour des bords de cette plaque crée un vortex périphérique. L'action combinée de cisaillement de ces vortex disperse le carburant en formant un mélange hautement combustible qui assure un front de flamme stable de très courte longueur. On peut disposer les injecteurs en rangées circulaires autour d'une zone de combustion annulaire délimitée par des garnissages intérieur et extérieur. Les plaques sont de préférons ce des portions de couronne faiblement écartes les unes des autres et des garnissages de façon à accélérer le courant d'air qui crée les vortex périphériques. On peut aligner radialement les injecteurs des rangées circulaires et les rendre solidaires d'un châssis de nontage. En variante, on peut les décaler ou les disposer sous forme d' une structure en nid d'abeilles, de façon à diminuer les intéractions entre vortex près des bords adjacents des plaques. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure i est une coupe longitudinale simplifiée, d'un moteur a turbine à gaz comportant un dispositif de combus- tion suivant l'invention; la figure 2 est une vue agrandie de la partie amont de cette chambre de combustion; la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III - III de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe, à échelle encore aug mentée, suivant la ligne IV-IV de la figure 2; la figure 5 est une vue en coupe semblable à la figure 2 et représentant une autre construction du dispositif de combustion suivant l'invention;; la figure 6 est une vue en coupe. semblable a la figure 2 et représentant encore une autre construction du dispositif de combustion. La figure i représente schématiquement les composants de ase d'un moteur a turbine à gaz 10. L'air entrant par l'entrée 12, 3 une extrémité du cartcr i4 du mofellr, est comprimé par un compresseur a ecoulelsent axial 16. Cet air comprimé assure la combustion du carburant dans la chambre de combustion 18 afin de créer un courant de gaz chauds a haute énergie. Le courant de gaz chauds actionne une turbine 20 qui, . son tour, entralne le rotor dii compreseeur 16.Le reste de l'énergie du courant de gaz est utilisé a la sortie comme dans le moteur représenté, par son éjection hors d'une tuyère de propulsion 22. Le moteur 10 est un exemple de l'environnement d'utilisation de la présente invention et n1 est pas nécessairement un moteur d'avion. La chambre de combustion 18 comprend des garnissages intérieur et extérieur 24, 26 qui définissent une zone de combus- tion annulaire. L'extrémité amont de la chambre de combustion comporte plusieurs injecteurs de carburant 28 qui sont de préfé- rence disposes en deux ou plusieurs rangées circulaires. L'air comprimé provenant du compresseur 16 passe dans un diffusenr 29 puis dans la chambre de combustion. Les garnissages 24, 26 sont respectivement espacés du carter extérieur 14 et du carter in térieur 30 afin de créer un passage pour l'air de décharge du compresseur qui isole les garnissages des carters et passe à travers des trous 32, pratiqués dans les garnissages, pour refroidir leur surface intérieure.Le reste de l'air de dé-charge du compresseur (à 11 exclusion des parties qu'on peut utiliser pour d'autres buts tels que le refroidissement) entre dans la zone de combustion par et autour des injecteurs 28 pour assurer la combustion lu carburant. On va maintenant décrire de façon plus précise les injecteurs. Chaque injecteur 28 comprend une coupelle hémisphérique 34, en général divergente, dont l'ouverture fait face a la partie aval de la chambre de combustion. L'air de décharge du compresseur entrant par des fentes tangentielles 38 (figures 3 et 4), c'est-à-dire des fentes obliques par rapport aux directions radiales, pratiquées longitulinalement et réparties autour de la coupelle, crée un vortex dans celle-ci.Ce vortex axial forme un plan de cisaillement qui agit comme une barrière pour éviter tonte fuite de carburant de la coupelle avant qu'il ne soit dispersé et entrainé dans Ve vortex. Ce vortex créé dans la coupelle hémisphérique a les vitesses de turbulence les plus grandes et les pressions centrales les plus basses, à 1'extrémté de décharge de la coupelle. Ceci tend à maintenir le carburant dispersé dans un plan situé immédiatement en aval de la coupelle, comme on le montrera plus loin.En outre, les vitesses minimales et les pressions centrales maximales qui règnent à l'arrière de la coupelle, tendent à empêcher la formation d'un mélange combustible en ce point et par conséquent diminuent, si elles ne ltéliminent pas, la formation de carbone dans la coupelle, même pour de très faibles rapports carburant/air. On place aux extrémités aval de chaque coupelle 34 une plaque 40. Ces plaques 40 sont, d'une façon générale, des portions de couronne et les plaques des éléments injecteurs adjacents sont faiblement espacées d'une distance constante. Les bords des plaques 40, adjacents aux garnissages 24, 26, sont aussi espacés de la même distance uniformément constante. Ces plaques espacées forment des tuyères qui accélèrent le courant d'air de décharge du compresseur lorsqu'il entre dans la zone de combustion. Cet air arrivant à grande vitesse tend a créer un vortex périphérique autour de chaque plaque, comme on l'a repré sentie sur les figures 2 et 4.Le vortex périphérique crée en combinaison avec le vortex axial de la coupelle 34 une zone de cisaillement qui disperse le carburant en fines particules pour créer un mélange combustible carburant/air, et qui le maintient dans un plan pratiquement stable, afin que la combustion s'ef- fectue sur une longueur axiale relativement courte. On obtient un haut rendement du fait que les vortex périphériques foufnissent un apport continu d'air au vortex axial trop riche. En effet, pour des rapports carburant/air normaux, le mélange créé par le vortex de la coupelle est trop riche et ne permet pas la combustion.Le mélange créé par l'action combine de ce vortex et du vortex périphérique contient suffisamment d'air pour permettre une combustion complète. Tl en résulte un front de flamme stable et de courte longueur axiale. A l'exception des petites quantités d'air de refroidissement qui entrent par les trous 32, tout l'air de combustion entre dans la zone de combustion'par les fentes 38 ou passe autour es plaques de répartition 40. Ceci contribue aussi à I 'etablissement d'un front de flamme stable et court. Au sujet de la structure on notera que les injecteurs de carburant 28 sont montés sur des châssis 42 fixés au carter 14. Siir la figure 3 on voit que ces injecteurs sont disposés en trois ranges circulaires, les injecteurs etant alignés axialement. Chaque châssis 42 est solidaire des injecteurs de carburant 28, algnôs radialement, de chaque rangée circulaire. Des passages 36 sont pratiqués dans le chassis 42 et sont reliés à une su'lice de carburant appropriée comprenant une commande de débit de carburant qui détermine la quantité de carburant nécessaire à fournir aux injecteurs. La pression du carburant est relativement faible et juste suffisante pour assurer les débits de carburant nécessaires. Le figure 5 représente une autre disposition dans laquelle les injecteurs d'une rangée sont décalés angulairement par rapport aux injecteurs de la rangée adjacente. En décalant ainsi l'intervalle radial entre plaques d'une rangée par rapport à l'intervalle radial entre plaques de l rangée adjacente, on diminue l'interaction entre les vortex près des bords adjacents des plaques. La figure 6 représente encore une autre disposition pour diminuer une telle interaction. Sur la figure 6, les côtés adjacents d'une plaque 40 qui sont tous deux espacés d'une autre plaque 40, font entre eux un angle de 1200 environ, en formant ainsi une structure en nid d'abeilles hexagonale avec les bords circulaires des garnissages 24, 26. le dispositif suivant l'invention assure la conversion d'un carburant liquide en un mélange combustible. Comme dans la plupart des dispositifs de combustion, il intervient plusieurs processus, tels qu'une vaporisatioh, une atomisation et une carburation) et on a utilisé ici le terme "dispersion" dans un sens général qui englobe ces différents processus du système de conversion. Revendications 1.- Injecteur de carburant placé dans un courant d'air caractérisé en ce qu'il comprend, une coupelle ouverte vers l'aval, plusieurs fentes longitudinales formant un angle avec la direction axiale a la surface intérieure de la coupelle et réparties tout autour de celle-ci, lesdites fentes constituant une entrée d'air qui crée un écoulement tourbillonnaire dans la direction axiale de ladite coupelle, des moyens pour amener le carburant jusqu'a la surface intérieure de ladite coupelle en amont desdites fentes, de façon qu'il soit dispersé par l'action de cisaillement des courants d'air entrant et entraîné hors de la coupelle par le courant tourbillonnaire. 2.- Injecteur suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, une plaque s'étendant extérieurement à partir de ltextrérité aval de ladite coupelle et placée en géné ral dans un plan perpendiculaire a la direction du courant d'air, de telle sorte que le courant d'air autour de l'injecteur crée des tourbillons à la périphérie de la coupelle pour disperser le carburant par l'action de cisaillement de ces tourbillons et du tourbillon de la coupelle. 3.- Injecteur de carburant suivant la revendication 2 caractérisé en ce qii'il comprend une seconde coupelle et une seconde plaque, définies comme précdemment, qui sont d'une façon générale alignées avec la première coupelle et la première plaque, et un châssis profilé solidaire des deux coupelles et les reliant, lesdits moyens pour amener le carburant comprenant des passages traversant ledit châssis. 4.- Dispositif de combustion caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs injecteurs de carburant de type défini dans la revendication 2, en ce que lesdits injecteurs de carburant sont de façon générale alignés de manière que les bords des plaques soient espacés les uns des autres, et en ce qu'il comprend des garnissages espacés des bords des plaques des injecteurs de carburant adjacents et délimitant une zone de combustion en aval des injecteurs. 5.- Dispositif de combustion suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les intervalles entre des plaques adjacentes et entre les plaques et les garnissages laissent passer sensibleent la re:e cuantité d'air pour chaque injecteur de carburant. 6.- Dispositif de combustion suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les garnissages se composent de deux enveloppes concentriques espacees délimitant une zone de combustion annulaire, en ce que les injecteurs de carburant sont disposés en plusieurs rangées circulaires et en ce que les intervalles entre plaques adjacentes et entre plaques et garnissages, et les fentes des coupelles permettent d'introduire pratiquement tout l'air nécessaire à la combustion dans la zone de combustion délimitée par lesdits garnissages. 7.- Dispositif e combustion suivant la revendication 6 caractérisé en ce que lesdites plaques sont des portions de couronne et en ce que les intervalles entre plaques adjacentes et entre plaques et garnissages laissent passer pratiquement des quantités égales d'air pour chaque injecteur de carburant. 8.- Dispositif de combustion suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les injecteurs de carburant de chaque rangée circulaire sont alignes radialement et qu'un châssis de profil aérodynamique est solidaire de chaque ensemble d'injecteurs de carburant alignés et les relie, et en ce que lesdits moyens pour amener le carburant comportent des passages traversant lesdits châssis. 9.- Dispositif de combustion suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les injecteurs de carburant de chaque range circulaire sont décalés angulaîrement par rapport aux injectcrirs de carburant de chaque range adjacente. tO.- Dispositif de combustion suivant la revendication 6 caractériso en ce que les côtés adjacents d'une plaque qui sont espacés des plaques d'injecteurs de carburant adjacent font entre eux un angle de 120 environ.