Brevet FR2462556A1 — publié le 19810213

la présente invention concerne les injecteurs de car- burant pour moteurs à turbine à gaz et, en particu- lier, les injecteurs du type à deux carburants, ca- pables de brûler une série de carburants liquides ou - gazeux possédant une gar4me étendue de variation de pouvoir calorifique. Pour les carburants gazeux, par exemple, le pouvoir calorifique du gaz à braler peut aller de 25 grandes calories pour un gaz dérivé du charbon contenant une forte proportion de composants inertes, à celui du propane (C 3H8)qui est de 580 gran- des calories. Quant aux carburants liquides, ils peuvent comprendre des condensats, des distillats, du méthanol, de l'éthanol, et des carburants pour mo- teurs diesel. Dans le cas des carburants gazeux, la gamme étendue de pouvoirs calorifiques a pour conséquence que, pour maintenir un rapport constant entré l'émission de chaleur et l'unité de temps avec toute la série de carburants, l'injecteur doit pouvoir faire face à une variation étendue de l'écoulement massique. Ceci exige un injecteur de carburant d'assez grandes di- mensions équipé d'organes générateurs de turbulence et de buses d'admission dans le ou les tubes à flammes bien que facile à extraire de sa position de travail par une ouverture de dimensions raisonnables dans le carter du moteur l'injecteur de carburant doit pouvoir fonctionner sans que les produits de la combustion risquent de revenir du ou des tubes à flammes dans le ou les con- duits d'admission de carburant de l'injecteur et sans que le carburant puisse passer du conduit de carburant liquide à celui de carburant gazeux et vice-versa. Lia présente invention a pour objet de réaliser un injecteur à deux carburants pour moteur à turbine à gaz, comportant une structure définissant des chemins d'écoulement sé arés de carburant gazeux et de carbu- rant liquide, l; chemin d'écoulement de carburant ga- zeux comprenantlun premier conduit annulaire d'écou- lement gazeux communiquant avec un second conduit an- nulaire d'écoulement gazeux, ledit second conduit an- nulaire d'écoulement gazeux ayant une section trans- versale décroissant dans le sens de parcours de l'é- coulement et renfermant des organes générateurs de turbulence d'air, le chemin d'écoulement de carbu- rant liquide comprenant des buses primaires de car- burant liquide et une buse principale de carburant liquide ainsi qu'un conduit annulaire de carburant liquide en aval desdites buses de carburant liquide, de section transversale décroissant dans le sens de parcours de l'écoulement, les buses primaires et prin- cipale de carburant liquide étant disposées de façon à injecter du carburant liquide dans un passage d'é- coulement d'air placé en amont du conduit annulaire de carburant liquide, ledit conduit annulaire de carburant liquide étant placé à l'intérieur du se- cond conduit annulaire d'écoulement gazeux, le con- duit annulaire de carburant liquide et le second con- duitVdnnulaire d'écoulement gazeux étant disposés, en ordre de marche, de façon à recevoir tous deux un courant d'sir comprimé amèné intérieurement. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, -30 la structure de l'injecteur de carburant est-consti- tuée par deux parties coopérantes mais séparées, à savoir: une rampe d'alimentation de carburant rece- vant les carburants liquides et gazeux et renfermant le premier conduit annulaire d'écoulement gazeux et les buses primaires et principale de carburant liqui- de; et un organe d'admission de carburant et d'air fixé à la tête du tube à flamme, ledit organe d'ad- mission de carburant et d'air comprenant le second conduit annulaire d'écoulement gazeux et le conduit annulaire de carburant liquide. L'injecteur selon l'invention pourra également com- porter des organes d'injection d'eau dans le conduit de carburant liquide L'invention est décrite ci-après en détail en se ré- férant à un exemple préféré, non limitatif, de réali- sation représenté sur les dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est une vue schématique de c8té, par- tiellement écorchée, d'un turboréacteur équipé d'un injecteur selon l'invention; - la figure 2 est une vue de côté, à plus grande 6- chelle, de l'injecteur de la figure 1; et - la figure 3est une coupe axiale détaillée de l'in- jecteur de la figure 2 Le turboréacteur 10, représenté à la figure 1, com- prend, dans le sens d'écoulement des gaz, un ou plu- sieurs compresseurs 12, un appareillage de combustion 14 et une ou plusieurs turbines 16 entraînant le ou les compresseurs-12 et dont les gaz d'échappement rejoignent l'atmosphère après-avoir traversé une tur- bine motrice 18 pouvant entraîner un appareil d'uti- lisation (non représenté) tel qu'une pompe ou un gé- nérateur L'appareillage de combustion 14 comprend une plura- lité de tubes à flammes 20, angulairement espacés les uns des autres, et pourvus chacun, à leur extré- mité amont, d'1T injecteur de carburant 22 Chaque injecte de carburant 22 peut recevoir du carburant 1iqui e ou gazeux provenant de conduits d'alimentation en carburant liquide 24 ou gazeux 26 raccordés à un groupe régulateur 28 pour deux carbu- rants. L'alimentation séparée ou simultanée en car- burant liquide ou gazeux et le débit de l'un ou de l'autre sont déterminés par le groupe 28 conformément à un ou plusieurs paramètres de fonctionnement, tels que la charge En se reportant plus spécialement aux figures 2 et 3, on voit que chaque injecteur de carburant 22 comprend une rampe d'alimentation en carburant 30 et un organe coopérant mais séparé d'admission de carburant et d'air 32 fixé à l'extrémité amont de chaque tube à flammes 20. ia rampe d'alimentation en carburant 30 peut Otre extraite du moteur par une ouverture assez petite (non représentée) ménagée dans le carter du moteur, et l'organe d'admission d'air est monté indé- pendamment de cette rampe pour éluder la nécessité d'une'ouverture d'accès de trop grandes dimensions dans ledit carter la rampe d'alimentation en carburant 30 comprend une enveloppe 34, un premier logement 36 et un second lo- gement 38 porté par le premier logement, S'enveloppe 34 et le logement 36 définissant entre eux un premier conduit annulaire d'écoulement gazeux 40, tandis que les logements 36 et 38 définissent entre eux un con- duit annulaire d'écoulement d'air 42 Le carburant gazeux provenant du conduit 26 parvient à l'intérieur de l'enveloppe 34 et, de là, au conduit 40; un tube d'alimentation en carburant liquide 44, raccordé au conduit d'alimentation 24, est placé à l'intérieur de l'enveloppe et mène à une chambre 46 située à l'intérieur du logement 38 Un tube d'alimentation en eau 48 est également placé à l'intérieur de l'enveloppe 34 et mène à un collec- teur 50 pourvu d'orifices de sortie 52 permettant l'injection d'eau dans le conduit annulaire d'écou- lement d'air 42. Un manchon 53, pénétrant dans la chambre 46, est mon- té dans un alésage central du logement 38; ce manchon comporte un orifice d'entrée de carburant 54, une pluralité de buses primaires de carburant 56 et une buse principale de carburant 58 obturée par une sou- pape 60. Un ressort 62, maintenu en position par une butée 64,maintient fermée la soupape 60 tandis que le manchon 53 est maintenu en position par la pression du carburant liquide qui appuie ce manchon contre un épaulement 66 à l'intérieur du logement 38 L'extrémité aval du logement 38 comporte une surface déflectrice de carburant primaire 68 contre laquelle vient frapper le carburant primaire venant des buses 56, cette surface 68 étant tronconique pour que le carburant primaire quitte le logement sous la forme d'une nappe conique L'organe d'admission de carburant et d'air 32 comprend un élément circulaire interne 70 et un élément circu- laire externe 72 portant entre eux une pluralité d'aubes de turbulence 74 régulièrement espacées, ces deux éléments définissant un second conduit annulaire d'écoulement gazeux 76 dont la section transversale décroit d'amont en aval. Un déflecteur conique 78, pourvu d'un écran thermique , est monté au centre de l'élément annulaire 70 au moyen d'une pluralité de bras radiaux 82, ce déflec- teur et cet élément annulaire 70 définissant entre eux un conduit annulaire de carburant liquide 84. Un prolongement aval de l'élément annulaire 70 s'a- dapte à un dégagement ménagé dans le logement 36. Ia combinaison de la rampe d'alimentation de-.carbu- rant 30 avec l'organe d'admission de carburant et d'air 32 donne à l'injecteur de carburant 22 deux chemins distincts et séparés d'écoulement de carbu- rant, l'un pour le carburant gazeux comprenant les premier et second conduits annulaires d'écoulement gazeux 40 et 76 (avec de l'air comprimé, provenant du compresseur 12, parcourant également le conduit 76), et. l'autre pour le carburant liquide comprenant le conduit annulaire de carburant liquide 84 Lorsque le moteur 10 ne fonctionne qu'au carburant gazeux, ce dernier pénètre dans l'enveloppe 34, che- mine dans le conduit 40 et pénètre dans le conduit 76 contigu à l'élément annulaire interne 70. L'air ve- nant directement du compresseur 12 s'écoule à la fois dans le conduit 84 par le conduit 42 et dans le con- duit 76. Le carburant se mélange en partie avec l'air dans le conduit 76 et ce mélange partiel de gaz et d'air se trouve laminé entre deux écoulements d'air lorsqu'ilquitte ce cenduit 76. Ce mélange de carburant et dl ir est soumis à une violente turbu- lence provoquée par les aubes 74 et ce mélange tour- billonnant est frappé par l'air sortant du conduit 84 ce qui accentue le mélange de carburant et d'air près de la tête du tube à flammes. L'injecteur de carburant est conçu pour brûler des combustibles gazeux possédant une gamme étendue de pouvoir calorifique, depuis un gaz dérivé du charbon et contenant une forte proportion de composants i- nertes, dont le pouvoir calorifique est de l'ordre de grandes calories, jusqu'au propane dont le pouvoir calorifique est de 580 grandes calories Lorsque l'injecteur de carburant ne fonctionne qu'au carburant liquide, ce dernier, venant du conduit d'a- limentation 44, pénètre dans la chambre 46, puis passe par l'orifice d'entrée 54 et sort par les buses.pri- maires 56. Il vient frapper alors la surface déflec- trice tronconique 68 et le cune de carburant ainsi formé 'est projeté sous forme nébulisée dans le con- duit 84 et dans le courant d'air provenant du conduit 40. Lorsque la pression du carburant atteint une valeur prédéterminée, la force exercée sur la butée 64 sera suffisante pour vaincre la résistance du res- sort 62; la soupape 60s.'ouvrira donc et laissera le carburant sortir 15ar la buse principale 58 comme par les buses primaires 56 Le carburant s8écoule dans le courant d'air parcou- rant les conduits 40 et 84 et un certain mélange de carburant et d'Air s'effectue dans le conduit 84 le mélange part"el de carburant et d'air sort du con- duit 84 et se m4lange à son tour avec la masse d'air tourbillonnante provenant des aubes de turbulence 74, près de la tête du tube à flammes. L'injecteur de carburant est cInçu pour brtler une série de canbu- rants gazeux comprenant des condensais tels que du gaz naturel liquéfié, du propane liquéfié, du méthan- ol, de l'éthanol et des carburants pour moteurs diesel. En vue de réduire la formation d'oxydes d'azote (de formule générale NO), spécialement lorsqu'on brûle des carburants liquides, de l'eau pourra être injec- tée dans le courant d'air s'écoulant dans le conduit 42 depuis les orifices d'entrée d'eau 52 en vue de réduire la température de combustion et, par consé- quent, le taux de production de NO z L'eau se trouve dispersée dans toute la zone de com- bustion du tube à flamme car elle est rapidement né- bulisée dans le conduit 42 o elle subit en outre un premier mélange avec le carburant liquide, et son é- jection de ce conduit assure qu'elle sera régulière- ment-dispersée dans le tube à flamme par comparaison avec certains systèmes d'injection d'eau dans les- quels l'eau est injectée à travers les aubes de tur- bulence et o une partie de l'eau se trouve perdue en aval avant de pouvoir servir +baisser la tempé- rature dans-la zone de combustion.- L'injecteur de carburant selon la présente invention possède les caractéristiques avantageuses ci-après - les passages séparés et distincts pour les carbu- rants liquides et gazeux empochent le carburant d'un passage de pénétrer dans l'autre passage; - les produits de la combustion ne peuvent pas reve- nir dans les passages à carburant du fait que la sec- tion transversale des conduits 76 et 84 décroît dans le sens d'écoulement et agit comme un tube venturi. L'écoulement d'air dans les conduits 76 et 84 s'op- pose donc à tout courant inverse, quel que soit le carburant utilisé; - l'injecteur est conçu de façon à admettre de gran- des variations de débit massique des carburants ga- zeux, nécessaires pour obtenir un rapport constant entre l'émission de chaleur et l'unité de temps pour des séries de carburants présentant une gamme étendue de pouvoir calorifique. La vitesse des carburants gazeux dans l'injecteur variera donc selon la densité et le pouvoir calorifique, et l'injecteur est établi de façon que le débit du compresseur surpasse tou- jours le débit de carburant et que le carburant ga- zeux soit contraint de passer par le conduit 76. - l'injecteur est composé de deux parties, la rampe d'alimentation de carburant et l'organe d'admission d'air et de carburant, cette disposition permettant d'extraire ladite rampe par une ouverture assez pe- tite du carter du moteur, tandis que ledit organe d'admission restera monté sur le tube à flammes; - les deux carburants, le liquide aussi bien que le gaseux, peuvent 8tre mélangés, au moins partiellement, à l'air provenait du compresseur avant de pénétrer dans le tube à jlammes - le mode d'inlaction de l'eau réductrice de NO dans le courant d'ai' qui vient se mélanger au carburant liquide garantit que pratiquement toute l'eau est en- traînée dans le courant de recirculation dans le tube à flammes. La butée 64 pourra être pourvue de plusieurs cordons ou gradins prenant contact avec l'alésage central du logement 38, les dimensions de ces cordons étant éta- blies de façon à laisser un faible jeu entre eux et l'alésage pour permettre au carburant liquide de rem- plir l'espace existant du ctté amont de la butée 64. La présence du carburant liquide dans cet espace agi- ra comme amortisseur des oscillations éventuelles du manchon 53 qui pourraient se produire par suite de variations brusques de l'appel de carburant Il REVENDICATIONS 1. Injecteur à deux carburants pour moteur à turbine à gaz, caréctérisé en ce qu'il comporte une struc- ture défini4ant des chemins d'écoulement séparés de carburant gazeux et de carburant liquide, le chemin d'écoulement de carburant gazeux comprenant un premier c nduit annulaire d'écoulement gazeux (40) communiquant avec un second conduit annulaire d'écoulement gazeux (76), ledit second conduit an- nulaire d'écoulement gazeux (76) ayant une section transversale décroissant dans le sens de parcours de l'écoulement et renfermant des organes généra- teurs de turbulence d'air (74), le chemin d'écou- lement de carburant liquide comprenant des buses primaires de carburant liquide (56) et une buse principale de carburant liquide (58) ainsi qu'un conduit annulaire de carburant liquide (84) en a- val desdites buses de carburant liquide, de section transversale décroissant dans le sens de parcours. de l'écoulement, les buses primaires et principale de carburant liquide (56, 58) étant disposées de façon à injecter.du carburant liquide dans un pas- sage d'écoulement d'air (42) placé en amont du - conduit annulaire de carburant liquide (84), ledit conduit annulaire de carburant liquide (84) étant placé à l'intérieur du second conduit annulaire d'écoulement gazeux (76), le conduit annulaire de carburant liquide (84) et le second conduit annu- laire d'écoulement gazeux (76) étant tous deux disposés, en ordre de marche, de façon à recevoir -un courant d'air comprimé 2. Injecteur de carburants selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la structure de l'injecteur de carburants comporte une rampe d'alimentation de carburants (30) et un organe coopérant d'admission de carburant et d'air (32), ladite rampe d'alimen- tation de carburant (30) comprenant une enveloppe (34) et un premier logement (36) définissant entre eux le premier conduit annulaire d'écoulement ga- zeux (40), et un second logement (38) définissant, avec lé premier logement (36), le passage annulaire d'écoulement d'air (42j, -lorganee. d'admission de carburant et d'air (32), comprenant le:second con- duit annulaire d'écoulement gazeux (76) et le con- duit annulaire de carburant liquide (84), étant fixé à l'extrémité amont -de l'appareillage de com- bustion du moteur à turbine à gaz 3. Injecteur de carburants selon la Revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe (34) comprend un conduit d'alimentation de carburant gazeux commu- niquant avec le premier conduit annulaire d'écou- lement gazeux (40) et un conduit d'alimentation de carburant liquide (44) communiquant avec les buses primaires et principale de carburant liquide (56, 58) 4. Injecteur de carburants selon la Revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second loge- ments (36, 38) définissent entre eux un passage annulaire d'air (42) pour l'écoulement d'air com- primé 5. Injecteur de carburants selon la Revendication 2, caractérisé en ce que le second logement (38) com- prend un conduit (44) communiquant avec une source d'alimentation de carburant liquide et se termi- nant par une pluralité de buses de carburant pri- maires (56) orientées radialement et une buse de carburant principale (58), ladite buse de carbu- rant principale (58) étant obturée par une soupape (60) rappelée par ressort 6. Injecteur de carburants selon la Revendication 5, caractérisé en ce que ledit conduit (44) est ménagé dans un système de soupape monté dans une chambre (46) du second logement (38), ledit système de sou- pape comprenant un manchon (53) comportant un ori- fice d'entrée de carburant (54), les buses de car- burant primaires et principale (56, 58) et la sou- pape (60) rappelée par ressort, la tige de ladite soupape étant maintenue en position par un: système -étenteu- & ressort, ladite soupape pouvant être actionnée par l'action de la pression du carburant liquide contenu dans ladite chambre (46) sur ledit systême rétenteur à ressort (62, 64, 66) 7. Injecteur de carburants selon une quelconque des Revendications 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le second logement (38) comporte une surface déflectrice de carburant primaire (68) contre la- quelle vient frapper le carburant liquide primaire. 8. Injecteur de carburants selon une quelconque dee Revendications 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comjorte un collecteur d'admission d'eau (50) et des rganes d'entrée d'eau (52) disposés de façon a iftjecter de l'eau dans le passage an- nulaire d'cule ment d'air (42) 9. Injecteur de carburants selon la Revendication 2, caractérisé en ce que l'organe d'admission de car- burant et d'air (32) comprend une couronne d'aubes de turbulence (74) espacées les unes des autres, portées entre des éléments circulaires interne (70) et externe (72), lesdits éléments définissant entre eux le second conduit annulaire d'écoulement gazeux (76), ledit conduit étant disposé de façon A rece- voir, en ordre de marche, un courant d'air comprimé et un courant de carburant gazeux en provenance du premier conduit annulaire en amont desdites aubes et adjacent audit élément circulaire interne (70) À 10. Injecteur de carburants selon la Revendication 9, caractérisé en ce que le conduit annulaire de car- burant liquide (84) est défini par un déflecteur (78) monté centralement dans l'élément circulaire interne (70) À