Brevet FR2270448A1 — publié le 19751205

La présente invention est relative à une chambre de combustion d'un type nouveau, destinée à équiper notamment une turbine à gaz. On sait qu'une telle chambre de combustion comporte un fond au centre duquel se trouve un injecteur de combustible. De l'air comprimé est envoyé vers le fond autour de l'injecteur pour alimenter la flamme du combustible. Les chambres de combustion connues à ce jour présentent l'inconvénient de définir entre le débit de combustible et le débit d'air, un rapport qui s'écarte des valeurs optima lorsque les conditions de fonctionnement varient entre le démarrage à vide et la pleine charge. En particulier, on sait qutun débit d'air trop important au moment de ltallumage craint de souffler la flamme : on est donc obligé de régler la chambre de combustion pour un rapport Air/combastible correct à l'allumage. Par contre à pleine charge, on constate que le débit d'air est généralement insuffisant par rapport au-débit de combustible: ce manque dtair se traduit par l'apparition-d'une fumée noire à l'échappement de la turbine à gaz. Enfin, dans les régimes de fonctionnement intermédiaires entre le ralenti à vide et la pleine charge, le dépit d'air est généralement excédentaire. Des imbrfllés apparaissent généralement sous la forme d'une fumée blanche à l'échappement, notamment dans les bas régimes. En résumé, les chambres de combustion de types connus peuvent autre réglées correctement pour le fonctionnement à un régi me et à une charge bien précis , mais elles ne donneraient pas satisfaction pour des utilisations à charges et à régimes variables (ce qui serait- le cas pour équiper la turbine à gaz d'un véhicule automobile ou d'un camion). La présente invention a pour but dtdviter ces inconvénients en réalisant une chambre de combustion à régulateur d*air, dont venant particulièrement bien pour unefturbine à gaz entratnant un véhicule automobile, c'est-à-dire destin à fonctionner dans des plages largement vriableso Une chambre de combustion pour turbine à gaz selon l'invention comprend un corps cylindrique percé d'orifices latéraux pour l'entrée de l'air secondaire et dont le fond comporte un orifice pour l'entrée d'air primaire, aloses q*un injecteur de combustible est logé au centre de cet orifice annulaire, et elle est ca ractérisde en ce quelle comprend une membrane annulaire mobile, disposée autour de l'injecteur et munie de moyens permettant de l'appliquer de façon étanche sur l'ouvertureannulaire qutelle obture, pour interrompre l'arrivée d'air primaire, ou bien de l'en mainteir élpignée pour laisser circuler l'air primaire. Suivant une autre caractéristique de l'inventionles moyens de commande de la membrane annulaire sont des moyens c-ontinus, c'est-à-dire qu'ils permettent de la maintenir à toute position intermédiaire entre l'ouverture totale et la fermeture complète, pour régler à volonté et de façon continue le débit dtair primaire parvenant à la fEmme. Suivant une autre caractéristique de l'inventionles moyens de commande de la membrane sont constitués par un soufflet dé formable fixé, d'une part à la membrane annulaire, d'autre part à une partie fixe du fond de la chambre de combustion, ce soufflet constituant une paroi déformable étanche qui sépare l'air primaire d'avec un autre fluide. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le soufi flet est réalisé sous la- forme d'une double paroi déformable disposée annulairement autour de l'injecteur central. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la cavité intérieure de la double paroi déformable constitue une ca-psule. barométrique débouchant par au moins un perçage, directement sur l'atmosphère environnante. Suivant une autre caractéristique de l'inventions la cavité interne de la double paroi déformable du soufflet est reliée à une source extérieure d'un fluide de régulation à pression mo dulée. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, des moyens élastiques tels qu'un ressort prennent par ailleurs appui d'une part sur la membrane mobile annuaire,."autre part sur une partie fixe du corps de la chambre de combustion. Gracie à ces dispositions, on réalise une chambre de combustion dont le débit d'air primaire varie automatiquement pour s' adapter exactement aux besoins de la combustion, y compris à chacun des régimes intermédiaires ou transitoires. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de linven- tion. Figure 1 est une vue en coupe axiale d'une chambre de com bustion. Figure 2 est une vue de détail correspondant à la partie supérieure de la figure 1, lorsque la membrane est ouverte. Figure 3 est une vue analogue lorsque la membrane est fer muée. Figure 4 Est une coupe suivant IV-IV (figure t). Figure 5 est une coupe suivant V - V (figure 3) Figure 6 est une vue eqperspective d'un soufflet déformable à double paroi du genre utilisé derriere la membrane mobile0 Figure 7 est un graphique illustrant les variations du d- bit d'air dans la chambre de combustion, en fonction de la vitesse de rotation de la turbine, obtenues respectivement avec un système classique et avec le dispositif selon l'invention. On a représenté sur les dessins, la chambre de combustion 1 d'une turbine à gaz. Cette chambre comporte une enveloppe ex- vers térieure 2 dont le fond 3 converge/un culot 4. Au centre de ce culot dépasse un injecteur de combustible dont le corps 5 se termine par une buse de pulvérisation 6. Autour de l'extrémité de l'injecteur 5, 6 est disposé un vortex formé par une couronne d'aubages fixes 7 destinés à curer dans l'air d'écoulement, un tourbillon situé autour de la buse de pulvérisation 6t Le vortex 7 se raccorde à une enveloppe évasée 8 traver- sée par des ouvertures 9 pour une addition d'air Âu-delà, une chemise cylindrique 10 prolonge la paroi intérieure de la -cham bre. Des ouvertures d'air tertiaire 11 et tair quaternaire 12 sont découpées dans la chemise cylindrique 10. A la manière habituelle, l'air comprimé pénètre dans ltenw VelPppe 2 à contre-courant comme indiqué par les flèches 13.Une partie de cet air parvient au niveau du fond convergent 3 et revient, comme indiqué par les flèches 14, pour traverser les aubages 7 du vortex0 A ce niveau, I1 air primaire entre en tourbiilonnements autour de la buse 6, ce qui-lui assure un malange ho mogène avec le brouillard de combustible pulvérisé. La combustion s'amorce et la flamme dirigée dans le sens des flèches 15 reçoit un apport d'air secondaire par les ouvertures 9. Ensuite les gaz reçoivent de l'air tertiaire par les ouvertures 11 puis de l'air quaternaire par les ouvertures 12 et ils sont enfin éjectés au niveau des flèches 16, pour eAtre dirigés vers la roue haute pression de la turbine Selon la présente invention, les aubages 7 du vortex sont disposés entre deux parois cylilldriques concentriques 18 dont le sommet définit une surface d2appui annulaire plan 19. Sur cette surface est susceptible de prendre appui une membrane ou rondelle annulaire plane 20. Si celle-ci est en appui sur le siège 19 (figure 3) la circulation 14 de l'air primaire se trou- ve interrompue.Si au contraire la membrane 20 est écartée du siège 19 (figure 2), la circulation d'air 14 a lieu. Il est fivi- dent que l'intensité du débit d'air primaire 14 variera en fonction de l'écartement de la membrane 20 par rapport a' son siège 19. La membrane 20 est soudée sur l'avant d'une capsule manométrique déformable constituée par deux soufflets concentriques 21 et 22. A l'arrière , ces soufflets sont solidaires d'un socle 23 fixé au fond 24 du culot 4 de la chambre. Le socle 23 est traversé ainsi que le fond 24, par un em- bout 25 muni d'une perforation 26 qui débouche dans la chambre annulaire 27 définie entre les deux soufflets concentriques 21 et 22. L'embout 26 peut s'ouvrir directement sur ltatmosphère extérieure ou bien entre reliée à une source d'un fluide à pression modulée. Enfin, on peut éventuellement monter un ressort de compression 28 de type hélicoldal, disposé entre la collerette périt phérique de la membrane 20 et un piaulement fixe 29 du culot 4. Le ressort 28 est calculé de façon qu'en l'absence de toute 20 autre sollicitation extâricure, la membrane 20 sot appliquée de façon étanche sur son siège plat 19, comme illustré sur la figure 3. Le -fonctionnement est le suivant Au démarrage de la turbine, la pression d'air au niveau des flèches 14 tfig; 1) est faible. Par conséquent, la membrane 20 reste hermétiquement fermée sur son siège 1g sous la pousse du ressort 28 et éventuellement sous la poussée du fluide à l'intérieur de la capsule manométrique 27. Par conséquent, aucun débit d'air ne circule à travers les aubages 7 du vortex et on ne risque pas de souffler la flamme à la sortie de la buse b. Cela est important car il est 1 > ossible de faire démarrer la turbine et de l'allumer même avec une très basse pression d'injection du combustible dans l'injecteur 5,, Ensuite, au fur et à mesure que la turbine monte en régime, la pression d'air au niveau des flèches 14 augmente et la membrane 20 se soulève, en comprimant à la fois le ressort 28 et les soufflets 21 et 22. L'ouverture de la membrane 20 (et par conséquent l'augmentation du débit d'air primair au niveau des flèches 14) croissent au fur et à mesure que la turbine monte en pression, c'est-à-dire au fur et à mesure qu'il est nécessaire d'augmentation débit d'air pour correspondre à l'augmentation du débit de combustible injecté dans la buse 6. On a représenté sur la figure 7 deux courbes illustrant la façon dont varie le débit d'air dans l'ensemble de la chambre de combustion, respectivement avec une chambre d'un type classique sans membrane (courbeA)et avec une chambre de combustion selon ltinvention (courbe B). On sait que dans une chambre de combustion de type connu, le débit de fuel est proportionnel à la racine carrée de sa pres- sion d'injection. Par conséquent, si la pression d'injection du fuel varie de 5 bars à 60 bars, le débit du fuel varie de Ià 3,45 entre l'allumage et la pleine charge.Par conséquent, si l'in part d'un débit dtair correspondant au point a (à vide) pour aboutir à undébitd'air correspondant au point b (turbine en pleine charge), on voit que t - la courbe A d'une chambre de combustion classique cor respond à un excès d'air dans la zone centrale (partie hachurée) ainsi dans la zone correspondant à la ligne d'attache de la férence A, on observe une fumée blanche à l'échappement de la turbine (excès d'air). - par contre, le système à membrane 20 selon l'invention permet d'obtenir une courbe B qui correspond à I courbe théerique pour laquelle la combustion est optima en tout point. D'une manière générale, on voit que l'invention permet de remédier à l'inconvénient suivant, bien connu pour les cambres de combustion classique à à l'allumage de la turbine1 il est nécessaire d'avoir un débit reltivemeht faible pour ne pas souffler la flamme; - lorsque la turbine tourne au ralenti, ce débit d'air ne doit pas être excédentaire, sous peine de voir apparattre une fumée blanche (imbrûlés) à l'échappement; - à pleine charge on doit veiller à ce que la combustion ne manque pas dtair faute due quoi on voit apparattre une fumée noire à l'échappement. Pour perfectionner encore 11 invention, il surfit de relier l'embout 26 à une source de fluide dont la pression est modulée à volonté ce qui permet de suivre très exactement une courbe B dont tous les points correspondent à l'optimum théorique. REVENDICATIONS - I. Chambre de combustion, notamment pour turbine à gaz, comprenant un corps cylindrique percé d'orifices latéraux pour l'entrée de lwair secondaire et dont le fond comporte un orifice annulaire pour l'entrée d'air primaire alors qu'un injecteur de combustible est logé au centre de cet orifice annulaire, caractérisée en ce qu'elle comprend une membrane annulaire mobile disposée autour de l'injecteur et munie de moyens permettant de I, appliquer de façon étanche sur l'ouverture annulaire qu'elle obture, pour interrompre I'arrivée d'air primaire, ou bien de l'en maintenir éloignée pour laisser circuler l'air primaire. - 2. Chambre de combustion suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande de la membrane annulaire sont des moyens continus* c'est-à-dire qu'ils permettent de la maintenir à toute position intermédiaire entre l'ouverture totale et la fermeture complète, pour régler à volonté et de fa çon continue le débit d'air primaire parvenant à la flamme. - 3. Chambre de combustion suivant la revendication 1, ce- ractérisée en ce que les moyens de commande de la membrane sont constitués par un soufflet déformable fixé, d'une part à la membrane annulaire, d'autre part à une partie fixe du fond de la chambre de combustion, ce soufflet constituant une paroi déformable étanche qui sépare l'air primaire d'avec un autre fluide - 4. Chambre de combustion suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le soufflet est réalise sous la forme d'une double paroi déformable disposée annulairement autour de l'injecteur central. - 5 Chambre de combustion suivantla revendication 4, caractérisée en ce que la cavité intérieure de la double paroi déformable constitue une capsule barométrique débouchant par au moins un peçage, directement sur l'atmosphère environnante. - 6. Chambre de combustion suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la cavité interne de la double paroi déformable du soufflet est reliée à une source extérieure d'fluide de régulation à pression modulée. - 7-. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que des moyens élastiques tels qu'un ressort prennent par ailleurs appui d'une part sur la membrane mobile annulaire, d'autre part sur une partie fixe du corps de la chambre de combustion. - 8. Chambre de combustion suivant l'une quelconque des re vendications précedentes, caractérisée en ce que le débit d'air primaire autour de l'injecteur de combustible y varie automati- quement pour s'adapter exactement aux besoins de la combustion* y compris à chacun des régimes intermédiaires ou transitoires entre la marche au ralenti à vide, et la marche à pleine charge à vitesse maxima.