Brevet FR2146095A1 — publié le 19730302

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 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 U et est relié auxdites sources de carburant liquide et de comburant, et de deux bras transversaux 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. L'installation de combustion considérée peut être destinée, notamment, à équiper un moteur à turbine à gaz, tel qu'un turboréacteur. Il a été observé que, dans certains cas de fonctionnement de l'installation, et plus spécialement à faible charge, il apparaissait, dans la chambre de combustion, des zones de combustion incomplète, de nature à compromettre le rendement d'ensemble de la chambre. Il a été observé également, dans les mêmes conditions, que les bras de la structure c t de ou canne en T étaient parfois soumis à des surchauffes locales, de nature à compromettre leur bonne tenue en fonctionnement. La Demanderesse s'est aperçue que ces deux incidents pouvaient avoir, ce qui n'était pas évident, la meme origine, à savoir un processus de vaporisation défectueux dans la canne. Elle a constaté, en effet, qu'à faible charge, la température régnant à l'intérieur de la canne, bien qu'élevée dans certaines conditions particulières, n'est pas toujours suffisante pour permettre une vaporisation complète de tout le carburant admis dans la canne. Une partie de ce carburant reste donc sous forme de grosses gouttes, de sorte que la répartition du carburant dans le flux parcourant les bras transversaux n ' est pas aussi régulière que si tout le carburant était vaporisé. Le mélange air-carburant qui s'échappe de la canne n'est donc pas homogène, ce qui pourrait expliquer l'apparition des zones de combustion incomplète précitées. Quant aux surchauffes locales, on rappellera, à leur propos, que l'action de refroidissement due à la vaporisation du carburant dans la canne est primordiale pour assurer la protection thermique des parois de cette canne baignant dans la chambre de combustion. I1 importe donc, pour que cette action de refroidissement soit eSective, que toutes les surfaces internes de la canne soient correctement "mouillées" par le flux de mélange air-carburant parcourant la canne.Or, en raison des changements de direction auxquels ce flux est soumis à son passage dans les bras transversaux, il se produit, notamment sous l'action de la force centrifuge, une stratification de ce flux : dans chaque bras, les grosses gouttes de carburant encore à l'état liquide sont projetées vers l'une des parois de ce bras, alors que, du côté de l'autre paroi, on ne trouve pratiquement que de l'air. Les parois non muuillées sont ainsi insuffisamment refroidies, ce qui explique le phénomène -paradoxal à première vue, s'agissant d'un incident qui se produit à faible charge des surchauffes locales précitées. La présente invention vise, d'une manière générale, à remédier aux inconvénients dont il vient d'etre question. Suivant l'invention, le corps tubulaire de la structure creuse ou canne en forme de g est partiellement obturé par deux cloisons minces s'étendant transversalement à l'axe dudit corps tubulaire, lesdites cloisons présentant chacune une arête vive tournée vers ledit axe et vers l'arete vive homologue appartenant à l'autre cloison, de manière à déterminer, entre les deux arêtes en regard,une section de passage rétrécie faisant communiquer ledit corps tubulaire avec chacun des bras transversaux de la structure creuse ou canne en forme de T. La présence de ces cloisons minces a deux conséquences elle a, d'abord, pour résultat, d'entratner un rétrécissement local de la section du corps de canne, et donc une accélération corrélative du courant d'air parcourant la canne, ce qui favorise la pulvérisation pneumatique du carburant et son mélange intime avec l'air ; elle a également pour effet de provoquer, sur les deux arêtes vives desdites cloisons, une pulvérisation mécanique - par effet de choc - du carburant. Sous l'action de cette double pulvérisation, le carburant encore à Itétat liquide se répartit de façon plus homogène dans le flux parcourant la canne en aval du diaphragme. Toutes les parois des bras sont donc correctement mouillées, et il'sort de la canne un mélange air-carburant à richesse sensiblement uniforme. La protection thermique de ces parois est ainsi assurée, en mSme temps que le rendement de la chambre de combustion est amélioré. Suivant un mode d'exécution avantageux, les cloisons minces précitées sont percées, chacune, de petits orifices permettant à une petite fraction du débit de mélange aircarburant d'alimenter la zone de sillage qui se forme en aval desdites cloisons. Des essais réalisés sur des cannes de prévaporisation en forme de T, équipées ou non de cloisons, ont permis de mettre en évidence des différences de température locale de la t8le pouvant aller juSqu'à plusieurs centaines de degrés, en faveur des cannes équipées de telles cloisons. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une vue en deni-coupe axiale d'une installation de combustion équipée de dispositifs de prévaporisation du type à canne en forme de T la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle, suivant la ligne II-II de la figure 1, de ladite ins tallation la figure 3 est une vue à plus grande échelle, en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2, d'une canne de prévaporisation en forme de T, de type connu la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, montrant une canne de prévaporisation perfectionnée conformément à l'invention la figure 5 est une vue en coupe transversale, suivant la ligne V-V, d'une portion de la canne représentée à la figure 4. Sur les figures 1 et 2, on a désigné par le repère général 7 des dispositifs de prévaporisation de carburant liquide équipant une installation de combustion faisant partie, par exemple, d'un moteur à turbine à gaz. Cette installation, de type connu, comprend, par exemple, une chambre de combustion 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 fermé, à sa partie amont, par une paroi annulaire 3 ou d8me à l'intérieur duquel est disposée une structure annulaire de support 4. Le d8me 3 et la structure annulaire 4 sont percés d'orifices 5-6, répartis uniformément autour de l'axe X'-X 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 d'air 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, 10a-10b et lla-llb. Chaque dispositif de prévaporisation 7 comprend, de façon connue, une structure creuse ou canne en forme générale de T faisant saillie dans la chambre de combustion à partir d'un orifice 6. La base du g est constituée par un corps tubulaire 12 coaxial à l'orifice 6 et se ramifiant en deux bras transversaux 13-14, qui forment les ailes du T. Ces derniers sont recourbés vers le dôme 3 et se terminent respectivement par des orifices d'échappement 15-16, orientés vers l'amont de la chambre de combustion.Le corps 12 comporte un orifice d'admission communiquant avec une source de carburant liquide schématisée par un conduit 17. plus L'orifice 6 présente une section/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 corps. 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 faction du débit d'air primaire. En fonctionnement, la fraction la plus importante du débit d'air primaire pénètre, en m8me temps que le carburant liquide, dans le dispositif de prévaporisation ou canne 7, dont les parois sont soumises, sur leur face extérieure, à l'action de la flemme7 de sorte que le carburant se vaporise. Le mélange d 'air primaire et de carburant vaporisé s'échappe sensiblement axialement à travers les orifices 15-16, 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 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 de prévaporisation. Les orifices 9a-9b permettent d'engendrer deux groupes de jets Ya-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 dit plus haut, un problème qui se pose dans ltexploitation 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 élevées régnant dans la partie amont de la chambre de combustion. Cette protection est assurée, dans une certaine mesure, pour la partie amont de la canne, grace 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 de la canne comprenant 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 été observé, néanmoins, qu'il se produisait, dans certains cas de fonctionnement de l'installation, notamment à faible charge, des surchauffes locales des bras 13-14 de la canne en T, en particulier dans une zone critique située au voisinage des "aisselles" desdits bras. Cette zone critique a été désignée par le repère 50 sur la figure 3 qui représente, à plus grande échelle, la partie aval d'une canne de prévaporisation en T, de type classique. I1 a été observé également que ce phénomène pouvait s'accompagner de l'apparition de zones de combustion incomplète dans la partie amont de la chambre de combustion. La Demanderesse s'est aperçue que la surchauffe des cannes et l'irrégularité de la combustion pouvaient toutes deux avoir pour cause commune, du moins en cours de fonctionnement à faible charge de l'installation, une vaporisation incomplète de carburant. Une partie de ce dernier reste sous forme de grosses gouttes dont la trajectoire a été schématisée par les lignes de courant 51. Par inertie, et sous l'effet de la force centrifuge, le carburant encore liquide est projeté contre les parois 13a-14a des bras 13-14, alors que les parois 13b-14b desdits bras ne sont pratiquement pas mouillées. Insuffisamment refroidies, ces dernières peuvent donc subir des surchauffes nuisibles. En outre, le flux de mélange air-carburant s'échappant à travers les orifices 15-16 n'est pas homogène, l'une des fractions f1 de ce flux contenant nettement plus de carburant que l'autre fraction f2. La richesse du mélange aircarburant dans la partie amont de la chambre de combustion n'est donc pas uniforme, ce qui peut expliquer les irrégularités de combustion observées. On a représenté, aux figures 4 et 5, une canne de prévaporisation perfectionnée de manière à atténuer les inconvénients auxquels il vient d'entre fait allusion. La canne 7 est équipée, à cet effet, de deux cloisons minces 52-53 s'étendant transversalement à l'axe Y'-Y du corps tubulaire 12 et présentant, chacune, une arrête vive 52a-53a. Ces arques sont tournées l'une vers l'autre et déterminent entre elles un passage rétréci 54 faisant communiquer le corps tubulaire 12 avec chacun des bras 13-14 de la canne. Le courant d'air parcourant la canne est soumis, au vdsinage dudit passage rétréci 54, à une accélération importante qui favorise, comme on le sait, la pulvérisation pneumatique du carburant liquide et son mélange avec l'air. En outre, les grosses gouttes de carburant sont pulvérisées mé oaniQuement - par effet de choc - sur les arêtes vives 52a 53-a. Le carburant liquide pénètre ainsi dans les bras 13-14 sous la forme d'un brouillard de fines gouttelettes, beaucoup plus légères et moins sujettes, par conséquent, à se stratifier. Les surfaces d'aisselles 13b-14b de ces bras peuvent alors etre mouillées correctement et risquent moins de se surchauffer. Enfin, le flux f de mélange air-carburant qui s échappe des orifices 15-16 est beaucoup plus homogène que dans le cas des cannes de tgpe classique, ce qui permet d'améliorer les performances de la chambre de combustion. On observera, en outre, que l'état de fine division auquel est réduit le carburant en raison de la présence des cloisons minces 52-53 a pour effet de hanter sa prévaporisation. L'efficacité du dispositif conforme à l'invention peut encore être augmentée si l'on perce les cloisons 52-53, de petits orifices 55-56 permettant à une petite fraction du débit de mélange air-carburant d'alimenter directement comme schématisé par les jets 57-58 - la zone de sillage qui se forme en aval desdites cloisons, de manière à favoriser l'établissement de conditions d'écoulement aérodynamiquement satisfaisantes. I1 va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 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 aux dites sources de carburant liquide et de comburant, et de deux bras transversaux 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 ledit corps tubulaire est partiellement obturé par deux cloisons minces s'étendant transversalement à l'axe dudit corps tubulaire, lesdites cloisons présentant chacune une arrête vive tournée vers ledit axe et vers l'arête vive homologue appartenant à l'autre cloison, de manière à déterminer, entre les deux arêtes en regard,une section de passage rétrécie faisant communiquer ledit corps tubulaire avec chacun des bras transversaux de la structure creuse ou canne en forme de T. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cloisons minces sont percées de petits orifices. 3. Installation de combustion, notamment pour moteur à turbine à a gaz, équipée d'vn dispositif de prévaporisation sui- vant la revendication 1 ou la revendication 2.