Brevet FR2222124A1 — publié le 19741018

La présente invention a pour objet des dispositifs pour homogénéiser les gaz sortant d'une chambre de combustion ou d'une chambre de mélange ai- sant suite a une chambre de combustion. Le secteur technique concerné est celui Ge ta construction des chambres de combustion pour produire des gaz chauds destinés à des installations de séchage ou de déshydratation cu bien destinés a alimenter des turbines à gaz ou des réacteurs d'avion. Il est connu de produire des gaz chauds destinés à des installations de séchage ou de déshydratation au moyen de générateurs de gaz chauds comportant des brûleurs de combustibles et des alimentations en air de dilu- tion plus froids. La quantité d'air de dilution est fonction de la température du mélange que l'on désire obtenir a la sortie. Dans ces générateurs l'air froid est injecté, de préférence, 12 long des parois afin de refroidir celles-ci. I1 en résulte que le mélange des gaz de combustion et de l'air froid est tres imparfait. Cn constate, a la sortie des générateurs d'air chaud, des écarts de teolperature très importants, de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, entre le centre et la périphérie du courant. -Par exemple, pour une température moyenne calculée de 10000, on constate des températures de l'ordre de 1400 C au centre de la veine gazeuse et de 6000C a la périphérie ce qui est prohi- bitif pour certains usages où l'air ne doit dépasser en aucun point une température maximale. Du point de vue composition du mélange et du fait que le gaz froid injecté est généralement de l'air, on obtient un excès d'air a la périphérie tandis qu'au centre on aboutit a un défaut d'air de sorte que la flamme s'allonge au point que la combustion risque de se poursuivre a l'extérieur de la chambre et que des imbrûlés solides peuvent être entraînes. L'objectif de 12 présente invention est d'améliorer les propriétés du mélange gazeux sortant d'une chambre de combustion ou d'une chambre de mélange faisant suite a une chambre de combustion en uniformisant la compo- sition et la température de ce mélange, de telle sorte que les différences maximales de température a la sortie de 1 'homogénéiseur soient fortement réduites. Cet objectif est atteint au troyen d'un dispositif homogénéiseur d'un mélange de gaz dauds et de gaz de dilution plus froids qui sone injectes à contre-courant ans lesdits g.-tZ chauds, lequel dispositif comporte des cens pour emmener une partie au rings lesdits gaz froids proximité du centre de la veine de gaz hautes sans s'opposer a l'écoulement du mélange gazeux a la périphérie de la veine de gaz chauds. Par exemple, on canalise l'air froid jusqu'à proximité du centre de la veine de gaz chauds. Dans un mode de réalisation préférentiel, les moyens pour canaliser l'air froid sont constitués par une série de buses d'injection de gaz froids, placées à la sortie d'une chambre de combustion ou de mélange, partant de la périphérie de la chambre et s 'étendant jusqu a proximité de l'axe de celle-ci, lesquelles buses sont espacées de telle sorte que le mélange gazeux puisse s'écouler autour des buses. Lesdites buses portent, à leur extrémité libre, un ajutage d'éjection des gaz froids orienté de telle sorte que la vitesse de sortie de ceux-ci ait une composante de sens opposé a la vitesse des gaz chauds. De préférence, l'ajutage est situé dans le prolongement des buses qui sont rectilignes. Dans un mode de réalisation, la chambre est cylindrique et les buses sont situées suivant les génératrices d'un tronc de cône coaxial a la chambre dont le sommet est situé vers l'amont, c'est-à-dire dans la direction d'où proviennent les gaz chauds. Dans ce cas, les jets d'air froid sont convergent en un point de l'axe de la chambre. Dans un autre mode de réalisation équipant une chambre également cylindrique, les buses sont disposées suivant les génératrices d'un hyperboloide de révolution autour de l'axe de la chambre et les ajutages sont dirigés vers le col de l'hyperboloide qui est situé vers l'amont, c'est-à-dire dans la direction d'où proviennent les gaz chauds. Cette disposition permet de communiquer aux gaz froids une vitesse de rotation autour de l'axe de la chambre,ce qui améliore le brassage de l'air chaud et de l'air froid. Suivant un autre mode de réalisation de 1 invention, dans le cas où la température des gaz chauds est très élevée, supérieure a la température de fusion des métaux réfractaires, et où l'on ne peut utiliser des buses pour canaliser l'air jusqu a proximité du centre de la veine de gaz chaud, on injecte l'air froid par des ajutages disposés a la périphérie d'une chambre de combustion ou de mélange et orientés a contre-courant du sens d'écoulement des gaz chaudes, les jets d'air froid sortant de ces ajutages à grande vitesse. de telle sorte qu'ils parviennent jusqu'a proximité du centre de la veine de gaz chauds.Les ajutages sont alors placés a l'extrémité des buses noyées dans l'épaisseur des parois de la chambre de mélange ou de combustion, en matériau réfractaire. Le résultat de l'invention est la production des gaz chauds ayant derpropriétés uniformes obtenues par mélange de gaz de combustion et de gaz de dilution plus froids. Les dispositifs selon l'invention présentent l'avantage de compléter les dispositifs connus comportant des injecteurs de gaz froids périphériques destinés à refroidir les parois des chambres de combustion afin d'éviter la nécessite d'un revêtement réfractaire. En effet, l'injection d'air froid périphérique, qu'elle soit dirigée dans le sens d'écoulement des gaz chauds ou a contre-courant de ceux-ci, entraîne forcément des défauts d'uniformité dans la température et la composition du mélange car il est très difficile de mélanger intimement deux courants gazeux de température différente. Une application spécifique des homogenéIseurs selon l'invention est l'équipement des générateurs de gaz chauds à partir de gaz de combustion dilués par des gaz plus froids. Une autre application est l'équipement des chambres de combustion alimentant des réacteUrs ou des turbines a gaz. La description suivante se réfère aux dessins annexés. La figure 1 représente schématiquement une chambre de combustion connue sans homogénéseur.- La figure 2 représente schématiquement une chambre de combustion équipée d'un homogénéiseur selon l'invention. La figure 3 représente une chambre de mélange placée a la sortie d'une chambre de combustion et équipée d'un homogénéiseur selon l'invention. La figure 4 est une coupe suivant IV IV des figures 2 et 3. La figure 5 est une coupe des buses disposées selon un hyperbo bide de révolution. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation. La figure i represente une chambre de combustion 1. d'axe x comportant un brûleur 2 représenté schématiquement avec son ventilateur 3 de soufflage d'air de combustion. Les parois de cette chambre sont en acier réfractaire. Elles sont refroidies par de l'air froid qui circule autour des parois, dans l'espace annulaire 4. Des ouvertures périphériques 5, qui peuvent être des fentes continues, ou intermittentes, ou des "écailles", constituent des orifices d'entrée d'air froid dans la chambre. Cet air froid balaye les parois et évite le contact de- la flamme et des parois. Une telle disposition est bien connue et elle est couramment appliquée dans les chambres de combustion alimentant les turbines à gaz ou les réacteurs d'avion. A l'intérieur de la chambre, les gaz de combustion et les gaz froids se mélangent très imparfaitement et on obtient, a la sortie 6 de la chambre, une veine centrale 6a, très chaude et pauvre en air et une veine périphérique 6b beaucoup plus froide et contenant un fort excés d'air. Les différences de température entre la veine centrale et la veine périphérique atteignent plusieurs centaines de degrés ce qui est prohibitif pour de nombreuses applications notamment pour alirenter les aubages de turbine dont toutes les parties doivent être a la même température; Dans d'autres réalisations les ouvertures périphériques 5 injectent dans la chambre 1 l'air de balayage a contre-courant de l'écoulement des gaz de combustion. Dans d'autres réalIsations l'air de balayage des parois est injecté en lui communiquant un mouvement de rotation autour de l'axe x x'. Ces dispositions améliorent le brassage entre gaz de combustion et gaz froids; mais celui-ci est loin d'etre intime et, a la sortie de la chambre, on retrouve une hétérogénéité entre la veine centrale et la veine périphérique. La figure 2 représente, avec les mêmes reperes, une chambre de combustion identique a celle de la figure 1 équipée drun dispositif dthomo- généisation placé a la sortie de la chambre. Celui-ci est composé d'une série de buses allongées 7, partant de la périphérie de la chambre et canalisant l'air jusqu'a proximité de l'axe x x'. Ces buses sont espacées de telle sorte qu'elles ménagent entre elles des espaces libres a travers lesquels peut s'écouler le mêlange gazeux. Chaque buse est terminée par un ajutage 8 qui est orienté vers l'amont c' est-à-dire vers la direction d'où proviennent les gaz de combustion de telle sorte que la vitesse des gaz sortant de l'ajutage ait une composante de sens opposé à la vitesse d'écoulement des gaz chauds. Le degré d'ouverture des ajutages 8 peut être réglé, par exemple au moyen de pointeaux commandEs de l'extérieur de la chambre,ce qui permet de faire varier le débit d'air froid en fonction de la température du mélange désirée. Dans le cas de la figure 2, les buses 7 reçoivent une partie seulement de l'air de dilution, l'autre partie servant au balayage des parois et entrant dans la chambre par les ouvertures 5 situées en amont des buses 7. Les axes y y' des buses 7 sont disposés, par exemple, suivant les génératrices d'un tronc de cône dont le sommet 0 est situe vers l'amont. La figure 3 représente une application de l'invention à une chambre de mélange 9 faisant suite a une chambre de combustion 10, les deux chambres ayant un axe z z' commun. Dans cet exemple, les parois de la chambre de mélange sont constituées par un matériau réfractaire et il n'y a pas de balayage des parois par de l'air froid. Les gaz de combustion entrent dans la chambre de mélange par l'orifice 11. Un homogénéIseur selon l'invention est situé à la sortie de la chambre de mélange. Comme le précédent, il est composé d'une série de buses allongées 12, terminées a leur extrémité libre par un ajutage 13 d'injection de gaz froid. Ces buses sont espacées de telle sorte que le mélange gazeux puisse sortir de la chambre en passant entre les buses. On a représente par des flèches sur les figures 2 et 3, l'allure des filets d'air froid qui, rencontrant l'écoulement de gaz chaud, forment un tourbillon toroïdal R et s'écoulent ensuite en passant entre les buses. Dans la partie centrale de la chambre, les jets d'air froid forment une sorte d'écran immatériel qui s'oppose au passage de la veine centrale c air chaud et oblige celle-ci à s'infléchir vers les parois et à se melanger a l'air froid. Le passage du mélange gazeux entre- les buses qui se comportent corme les barreaux d'une grille, provoque une turbulence supplémentaire qui améliore l'homogénéité du mélange de la veine 6. La figure 4 représente une coupe par IV IV des figures 2 et 3. La figure 5 représente une coupe où les buses sont disposées suivant les génératrices d'un hyperbololde de révolution. On voit sur cette dernière coupe que les axes y y' des buses rectilignes 12 ne convergent pas en un point 0 mais sont tangentes à un cercle fictif 14 représenté en pointillés. Les axes y y' sont disposés suivant les génératrices d'un hyperbololde de révolution autour de l'axe z z' dont le col 14 est situé vers l'amont. Cette disposition présente l'avantage de communiquer a l'air froid un mouvement de rotation autour de l'axe z z' qui améliore le brassage du mélange obtenu. La figure 6 représente, en coupe longitudinale, la sortie 15 d'une chambre de combustion ou de mélange d'axe x xt. Ce mode de réalisation correspond au cas où les gaz sont très chauds de telle sorte que les buses des figures 2 et 3 ne peuvent être utilisées. Les parois de la chambre sont constituées par un matériau réfractaire 17. Dans l'épaisseur de ce matériau sont disposées des buses 18 qui se terminent par un ajutage 19 dirigé à contre-courant des gaz chauds. Ces buses injectent des jets 20 d'air de dilution plûs froid dans les gaz chauds. Ces jets 20 sortent des ajutages avec une grande vitesse de telle sorte qu'ils atteignent le centre de la veine. D'autre part, par suite de leur vitesse élevée, les jets 20 restent groupés et espacés les uns des autres de telle sorte que le mélange gazeux peut s'écouler en passant entre ces jets d'air. Les buses d'une certaine longueur, noyées dans l'épaisseur du maté- riau réfractaire, racilitent la mise en vitesse de l'air de dilution. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourraient être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple. Notamment, les buses allongées pourraient être remplacées par tout autre moyen remplissant les mêmes fonctions c'est-a-dire canalisant une partie au moins des gaz froids jusqu a proximité de l'axe de la veine de gaz chauds et injectant les gaz froids à contre-courant des gaz chauds tout en ne s'opposant pas à la sortie du mélange a la périphérie de la chambre. REVE > DICATIONS I - Dispositif pour honogéneiser un mélange de gaz chauds et de gaz de dilution plus froids qui sont injectés a contre-courant dans lesdits gaz chauds, ca ractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour amener une partie au moins desdits gaz froids a proximité du centre de la veine de gaz chauds sans s' opposer a l'écoulement du mélange gazeux a la périphérie de la veine de gaz chauds. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour canaliser une partie au moins desdits gaz froids jusqu'à proxi mité du centre de la veine de gaz chauds. 3 - Dispositif selon la revendication 2 pour homogéneIser un mélange de gaz chauds et de gaz de dilution plus froids sortant d'une chambre de combustion ou de mélange, caractérisé en ce qu'il est composé d'une série de buses d'injection de gaz froids partant de la périphérie de ladite chambre, les quellesSétendent jusqu'a proximité du centre de celle-ci et sont espacées les unes des autres de telle sorte que le mélange gazeux puisse s'écouler entre lesdites buses. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites buses portent, a leur extrémité libre, un ajutage d'éjection des gaz froids orien té de telle sorte que la vitesse de sortie de ceux-ci ait une composante de sens opposé a Ia vitesse des gaz chauds. 5.- Dispositif selon la revendication 4, équipant une chambre cylindrique, ca ractérisé en ce que lesdites buses sont rectilignes et disposes suivant les génératrices d'un tronc de cône, coaxial avec ladite chambre, et dont le sommet est situé vers l'amont. -6 - Dispositif selon la revendication 5, équipant une chambre cylindrique, ca ractérisé en ce que lesdites buses soht rectilignes et -disposées suivant les génératrices d'un hyperboloïde de révolution autour de l'axe de la cham bre, et dirigées vers le col dudit hyperboloide qui est situe vers l'amont. 7 - Dispositif selon la revendication 1 pour homogénéiser un mélange de gaz chauds et de gaz de dilution plus froids sortant d'une chambre de combustion constitué par des ajutages disposés a la périphérie de ladite chambre et o rientés a contre-courant du sens d'écoulement des gaz chauds, caractérisé en ce que les jets d'air froid sortant desdits ajutages ont une grande vitesse de telle sorte qu'ils parviennent jusqu'a proximité du centre de la veine de gaz chauds. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits ajutages sont places à l'extrémité de buses noyées dans l'épaisseur des parois de la dite chambre, qui sont en matériau réfractaire.