Brevet FR2357738A1 — publié le 19780203

Les récentes exigences en matière d'anti-pollution et notamment les normes édictées par l'Agence américaine de protection pour l'environnement (E.P.A.) ont conduit les constructeurs de turbo-moteurs d'avion à rechercher des moyens pour réduire les taux de polluants dans les gaz d'échappement des moteurs. On sait que les principaux-problèmes en matière de pollution des turbomoteurs d'avion sont d'une part, l'émission d'oxyde de carbone, d'hydrocarbures et d'imbrQlés divers pendant les phases de roulage au sol et, d'autre part, ltémission d'oxydes d'azote et de particules au décollage en montée et en altitude-pendant la croisière. Les chambres de combustion classiques sont en général optimisées pour les régimes de décollage ou proches du decollage. Cela signifie que dans la zone primaire de la chambre de combustion est introduite une fraction du débit d'air du compresseur telle, qu'avec le carburant injecté, le mélange air-carburant dans cette zone soit sensiblement stoechiométrique à ces régimes. Dans ces conditions, grâce aux niveaux de température et de pressions élevées, on obtient une combustion la plus complète possible, des rendements de combustion supérieurs à 0,99 sont atteints, les vitesses de réaction chimique étant optimales pour ces mélanges stoechiométriques. Par contre, aux bas régimes, ralenti ou proche, la richesse globale dans la chambre n'est environ que la moitié de celle au décollage, de plus, les pressions et températures à la sortie du compresseur sont plus faibles ; il en résulte que la chambre à charge partielle est très désadaptée et que les rendements de combustion au ralenti dépassent rarement 0,93. La combustion est donc très incomplète ce qui entrains des concentrations en oxyde de carbone et imbrûlés beaucoup plus élevépsà l'échappement qu'au régime nominal. Les proportions de polluants sont d'autant plus grandes que le rendement global de la combustion est plus faible. I1 apparaît toutefois possible d'ameliorer les performances d'une chambre de combustion en agissant sur quatre facteurs - le temps de vaporisation du carburant, - le temps de mélange air-carburant, - le temps de mélange gaz frais-gaz brûlés, - le temps de réaction chimique. Les deux premiers temps peuvent être considérés comme négligeables aux régimes élevés étant donné les pressions atteintes, il n'en est pas ainsi aux bas régimes. En effet, pour augmenter la vitesse de vaporisation du carburant il faut le mettre sous forme de fines gouttelettes ce qui est très bien réalisé par l'injecteur à pulvérisation mécanique classique en régime normal, mais les performances obtenues aux bas régimes sont médiocres. Ceci tient au fait que si le carburant est bien mis sous forme de gouttelettes, celles-ci sont mal mélangées à I1 air de la zone primaire, et il apparaît localement des zones de richesse trop élevées.Il faudrait à la limite que chaque gouttelette ait autour d'elle la quantité de gaz nécessaire à sa vaporisation et à sa combustion, ctest-h-dire une quantité de gaz permettant d'obtenir un mélange stoechiométrique avec les molé- cules d'oxygène après vaporisation complete. Pour ce faire, il a été proposé des systèmes tels que l'injection aérodynamique. Les injecteurs de type aérodynamique comprennent en général des ailettes de tourbilonnement, ou swirler, par lesquelles est introduit de l'air, issu du compresseur, qui sert à pulvériser le carburant ; on obtient donc ainsi un pré-mélange air-carburant.Le fonct-ionnement détaillé et la réalisation d'un certain nombre d'injecteurs de ce type sont décrites dans les brevets 72.25840, 72.40166 et la demande de certificat d'addition à ce dernier 73.38253 au nom de la Demanderesse. Une autre solution qui peut également être utilisée est la prévaporisation, dans laquelle un mélange air-carburant est injecté à contre-courant par l'intermédiaire d'une canne en T. De tels systèmes sont décrits par exemple dans le brevet français 71.05753 et la demande de brevet 72.22811 au nom de la Demanderesse. Le mélange gaz-frais, gaz-brûlés doit également être favorable car il contribue à élever la température du mélange carburé, donc aide à la vaporisation de celui-ci, et par la suite permet une amélioration de la vitesse de réaction chimique. La façon habituelle de permettre cette mise en contact du mélange carburé avec les gaz à haute température issus de la combustion est d'organiser une recirculation de ces derniers, en recherchant un niveau de turbulence convenable. Toutes ces solutions permettant d'améliorer le rendement de combustion n'ont toutefois une efficacité maximale que =ur des valeurs suffisantes des pressions et températures de l'air à lten trée de la chambre. En ce qui concerne le temps de réaction, il faut rechercher, de plus, une optimisation en richesse du mélange, l'idéal serait de pouvoir obtenir une proportion air-carburant stoechiométrique dans la zone de stabilisation de flammes, quel que soit le régime du moteur. Une approche en est par exemple la chambre double décrite dans la demande de brevet français 73.08819 au nom de la Demanderesse ; cette chambre est constituée de deux zones de combustion annulaires concentriques dont l'une est adaptée pour le régime ralenti. Ce type de chambre est toutefois d'une grande complexité technologique qui augmente son prix de revient, sa mise au point est délicate, en outre, sa masse est plus élevée. Selon l'invention, on a cherché a résoudre par une voie différente ce problème de la combustion aux faibles régimes pour une chambre comportant des injecteurs du type aérodynamique ou à prévaporisation,fixés au fond de chambre. En effet, dans le cas d'une chambre classique de ce type, adaptée pour obtenir un mélange stoechiométrique au décollage, environ V3 du débit d'air nécessaire à la combustion est introduit dans le système d'injection, et 2/3 par les orifices primaires.Donc, aux conditions ralenti, le mélange est environ 1,5 fois stoechiométrique si on ne tient compte que de l'air du système d'injection, et 0,5 fois stoechiométrique si on considère la totalité de 11 air primaire. C'est-à-aire que l'on ne rencontre dans aucune zone le mélange idéal, et les jets primaires agissent alors plutot comme une dilution. Conformément à l'invention, on intercale entre chaque injecteur, ou groupe dtinjecteurs, et le fond de chambre une partie intermédiaire de dimensions réduites par rapport à la chambre, définissant un volume qui va en s'évasant dans le sens de l'écoulement des gaz. Cette partie intermédiaire est de forme générale tronconique et on y introduit un débit d'air D3 prélevé sur celui D1 des orifices primaires de chambre classique. Ce débit D3 ajouté à celui D2 entrant par le système d'injection forme une proportion sensiblement stoechiométrique avec le carburant injecté au ralenti dans cette mini-zone primaire. Le débit à introduire par les orifices primaires ne sera donc plus que D'1 = D1 - D3, et les diamètres des trous primaires devront être réduits par rapport à une chambre classique. Il est entendu qu'aux régimes de décollage ou proches le mélange air primaire (à savoir, l'air participant à la vaporisation du carburant, débit D2, l'air entrant par les trous de la partie tronconique, débit D3, et celui entrant par les trous primaires débit D'1) carburant est stoechiométrique. Le débit d'air D3 est introduit dans le bol par un grand nombre de trous de faibles diamètres donc sous forme de jets très pénétrants, ce qui entraîne un niveau élevé de turbulence dans la mini-zone primaire.L'homogénéisation du mélange s'en trouve améliorée ce qui diminue la production des suies et des hydrocarbures imbrûlés. D'autre part, cette disposition permet une injection plus progressive de l'air primaire, et ce quel que soit le régime d'utilisation ; on tend ainsi vers une adaptation de la chambre à tous les régimes. Tous ces facteurs sont favorables à une diminution des temps de réaction et pourront conduire à une réduction de la longueur de la chambre de combustion et donc à une limitation du temps de séjour des gaz dans celle-ci. En définitive la partie tronconique à deux buts - agir sur la composition du mélange et créer une mini-zone primaire pour le ralenti - compléter le rôle de l'injecteur pneumatique. En ce qui- concerne le débit D3, il pourra varier entre 1/6 et 1/3 du débit total d'air primaire, (une répartition égale entre D'1, D2 et D3 donne de très bons résultats) ; le nombre et le diamètre des perforations dans la mini-zone primaire sont alors déterminés, ce dernier étant toutefois tel que le rapport entre le diamètre maximum de la partie évasée et celui des perforations soit compris entre 10 et 40. L'angle au sommet des perties tronconiques est supérieur à 600 et de préférence de l'ordre de 1000. La description qui suit en référence aux figures annexées illustre à titre d'exemple quelques modes de réalisation de l'invention. - la figure la représente schématiquement une chambre de com bustion classique de type annulaire ; - la figure lb est une vue agrandie de la portion de chambre de la figure la, correspondant à la partie eneadrée, repré sentant le fond de chambre avec l'injecteur en place. - la figure 2 est une vue analogue à la figure lb montrant une chambre modifiée selon l'invention. - la figure 3 est une vue en perspective partiellemenX éclatée de la réalisation de la figure 2 dans le cas de ltapplication de l'invention à une chambre de type tubulaire. - la figure 4 représente une autre forme de réalisation. - la figure 5 représente une chambre annulaire comportant la modification suivant l'invention - la figure 6 est une autre forme de l'invention dans le cas d'une chambre annulaire. La chambre annulaire de la figure la est formée de façon connue de viroles de tole extérieures 1, 2, 3 de diamètre croissant vers l'aval et de viroles intérieures 1', 2', 3' de diamètre décroissant vers ltaval par rapport au sens d'écoulement f des gaz issus du compresseur. Ces viroles se chevauchent en ménageant entre-elles des passages 4 (figure lb) laissant entrer de l'air qui forme un film pour le refroidissement des parois, une telle réalisation est par exemple décrite dans le brevet français n 71.36330 au nom de la Demanderesse. La chambre comprend de l'amont vers l'aval une zone primaire 5 dans laquelle ont lieu les réactions de combustion. Le débit Dl d'air dit primaire nécessaire àla combustion est injecté dans cette zone par des trous 6 et 6' percés sur la périphérie des viroles 1 et 1 ' respectivement. Les zones correspondant aux viroles 2, 2' et 3, 3' sont dites zones de dilution, de l'air dit de dilution y est injecté par des trous 7, 71 et 8, 8' percés sur leurs périphéries pour se mélanger aux gaz chauds issus de la zone primaire en vue d'achever leur oxydation, et d'abaisser leur température avant lten- trée dans la turbine. La figure lb représente 11 extrémité amont d'une chambre de combustion classique. Le fond 9 de la chambre comporte une partie annulaire 10, située dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre, sur laquelle est fixée une virole cylindrique il, formant un canal convergent vers I1 aval, et qui porte une plaque annulaire 12, le tout constituant avec la partie 10 une enceinte annulaire dans laquelle circule un débit dl d'air de refroidissement pénétrant par des trous 13 de la partie 10. Par un injecteur 14 du type aérodynamique, schématiquement représenté, monté sur la virole 11 est injecté un débit d'air D2 servant à vaporiser le carburant. Les figures 2 et 3 représentent une chambre conforme à l'invention. Les éléments communs à la solution classique conservent les mêmes références. On constate sur ces figures que la chambre est analogue dans sa structure à celle représentée sur la figure lb. Cependant, l'injecteur 14 n'est plus monté directement sur la partie 10 de la chambre mais sur une partie intermédiaire tronconique 15 dont l'ex- trémité- aval évasée vient se raccorder sur la virole Il qui ne comporte plus de partie convergente. La partie intermédiaire 15 est percée dans sa partie aval de trous 16 de faible diamètre (le rapport de ce diamètre au diamètre maximum de la partie évasée étant compris entre 10 et 40) répartis régulièrement avec un pas faible dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre. La partie 15 peut comprendre une ou plusieurs rangées de trous 16 quinconcés ou non, situés en aval par rapport au sens d'écoulement des gaz f.Le nombre de ces trous 16 compte tenu de leur diamètre est tel que le débit d'air D3 qui y pénètre forme avec le mélange air-carburant issu de l'injecteur 14 un mélange stoechiométrique dans la partie 15, pour les conditions de ralenti. Les trous primaires 6a et 6'a voient leur diamètre réduit, par rapport aux troues 6 et 6', de façon à ce que le nouveau débit~d'air primaire soit D'1 = D1 - D3, de manière à conserver l'adaptation de la chambre au régime nominal. La figure 4 représente une autre forme de ralisation, dans laquelle la partie intermédiaire est à double pente. C'est-àdire qu'elle est formée de deux parties tronconiques contigùes, la partie aval 17 ayant un angle au sommet supérieur à celui de la partie amont 18, par exemple 900 pour la partie 17 et 600 pour la partie 18. Les trous 16 sont percés immédiatement en amont du raccordement formé parla jonction des deux parties. Le principe de fonctionnement est identique au cas précédent, cette disposition permet d'augmenter encore le niveau de turbulence dans la même partie intermédiaire. La figure 5 représente en perspective une chambre du type annulaireéquipée du dispositif selon l'invention. Dans cette forme de réal3sstion chaque injecteur est monté sur une partie intermédiaire tronconique 19 percée de trous 16, le principe de fonctionnement est identique au cas de la chambre décrite ci-dessus. Sur la figure 6 est représentée une autre solution pour les chambres annulaires. Une partie intermédiaire est commune à tous les injecteurs 14, c'est-à-dire que l'on fixe les injecteurs sur une partie plane 20 d'un anneau 21 de section trapézoldale qui est soudé par sa partie évasée sur le fond de chambre.Cet anneau e" percé sur ses parois latérales internes 22 et externes 23 de trous 16 de faible diamètre régulièrement espacés, le nombre et le diamètre de ces trous étant évidemment tels que l'on obtient un mélange stoechiométrique dans cette mini-chambre annulaire au régime de ralenti. il est à remarquer que ce type de réalisation est mieux adapté à l'utilisation de cannes de prévaporisation. il est entendu que les parois latérales 22 et 23 peuvent présenter une double pente comme dans le cas des parties tronconiques. La figure 3 correspondant à l'application de l'invention pour une chambre du type tubulaire n'est pas décrite en détail, le fonctionnement étant identique à celui de la chambre annulaire. Une partie de l'air primaire est injecté dans une partie intermédiaire tronconique montée entre l'injecteur et la chambre de façon à obtenir un mélange stoechiométrique au régime de ralenti. On a repris le meme repérage des différents éléments constitutits que dans les cas précédents. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion pour turbomoteurs, comprenant une zone primaire, ou zonede combustion, percée de trous primaires permettant l'injection radiale d'un premier débit d'air, une zone de dilution st de mélange dans laquelle est injecté un second débit d'air, et un ou des injecteurs du type à pulvérisationtpneumatique ou à prévaporisation fixés sur son fond avec leurs axes parallèles à celui de la chambre, assurant l'introduction du carburant gracie à un troisième débit d'air, les premier et troisième débits d'air constituant globalement l'air primaire nécessaire aux réactions de combustion, caractérisée en ce que l'pn intercale entre chaque in jecteur, ou groupe d'injecteurs, et le fond de la chambre situé en amont de la zone primaire une partie intermédiaire de dimensions réduites par rapport à celles de la chambre définissant un volume qui va en s'évasant dans le sens d'écoulement des gaz et dont les parois sont percées d'un grand nombre de trous de faible diamètre régulièrement répartis permettant l'injection d'un quantième débit d'air sous forme de jets pénétrant le mélange carburé issu de l'injecteur, ce quatrième débit d'air étant prélevé sur le premier débit d'air et représentant 1/6 à 1/3 de l'air primaire, les troi sième et quatrième débits d'air ajoutés étant tels qu'ils forment un mélange stoechiométrique avec le carburant injecté aux faibles régimes dans ladite zone intermédiaire ; les troisième et quatrième débits d'air ajoutés aU premier débit d'air formant avec le carburant un mélange stoachiométrique dans la zone de combustion aux autres rÉgimes, 2.Chambre de combustion selon la revendication précédente caractérisée en ce que les premier, troisième et quatrième débits d'air représentent chacun 1/3 de 1air primaire. 3.Chambre de combustion suivant l'une des revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite partie intermédiaire est constituée, pour chaque injecteur, d'un tronc de cssne ayant même axe que l'injecteur et dont l'angle au sommet a une valeur supérieure à60 et de préférence voisine de 100 . 4. Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que les trous de faible diamètre permettant l'injec- tion du quatrième débit d'air sont répartis sur la paroi du tronc de chine avec un pas faible sur un, ou plusieurs cercles situés dans un, ou des, plans perpendiculaires à l'axe du cane, roximiFé de l'extrémité aval de celui-ci ; le diamètre de ces trous étant compris entre 1/10 et 1/40 de celui de la partie évasée du cône se raccordant à la chambre. 5. Chambre de combustion suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite partie intermédiaire est formée de deux troncs de cônes, d'axes confondus, soudés bout à bout, et dont les angles au sommet vont en croissant vers l'aval. 6. Chambre de combustion suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les trous permettantl'injection du quatrième débit d'air sont percés immédiatement en amont du raccordement formé par la jonction des deux cônes, et sont répartis avec un pas faible sur un, ou des, cercles situés dans un, ou des, plans perpendiculaires à l'axe commun des cônes ; le diamètre de ces trous étant compris entre 1/10 et 1/40 du diamètre audit raccordement. 7. Chambre de combustion selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que l'extrémité aval de diamètre maximal de la partie intermédiaire est raccordée au fond de la chambre par l'entremise d'une virole cylindrique pourvue à son extrémité aval d'une plaque annulaire comprise dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'injecteur et coopérant avec le fond de la chambre pour former un espace dans lequel est introduit de l'air de refroidissement par des orifices percés dans le fond de la chambre. 8. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 ou 2 de type annulaire pour turbines à gaz comprenant un certain nombre d'injecteurs régulièrement répartis sur son fond caractérisée en ce que la partie intermédiaire est annulaire et constituée d'un fond circulaire situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre sur lequel sont fixés les injecteurs, et de deux parois latérales tronconiques soudées, d'une part, au fond circulaire et, d'autre part au fond de la chambre. 9. Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que les trous de faible diamètre sont percés dans la partie aval de chaque paroi latérale tronconique, et sont répartis sur des cercles situés. dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre. 10. Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque paroi latérale de ladite partie intermédiaire est formée de deux troncs de cones , d'axes confondus, soudés bout à bout, et dont les angles au sommet vont en croissant vers 1' aval. 11. Chambre de combustion selon la revendication 10, caractérisée en ce que les trous de faible diamètre sont percés, sur chaque paroi latérale, immédiatement en amont du col formé par la jonction des troncs de cones,et sont répartis sur un, ou des, cercles situés dans un, ou des, plans perpendiculaires à l'axe commun des troncs de cônes. 12. Chambre de combustion selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que l'extrémité aval de chaconedes deux parois latérales est raccordée au fond de la chambre par l'entremise d'une virole annulaire pourvue à son extrémité aval d'une plaque annulaire ; les plaques annulaires de chaque virole coopèrent chacune avec le fond de la chambre pour former un espace annulaire dans lequel est introduit de l'air de refroidissement par des orifices percés dans le fond de la chambre.