Brevet FR2495229A1 — publié le 19820604

1- La présente invention concerne des buses d'injec- tion de carburant pour moteur du type à turbine et en parti- culier des buses à double ouverture et un dispositif pour améliorer la qualité des émissions de gaz. Du point de vue écologique et des exigences gouvernementales pour la réduction des matières polluantes admises dans l'atmosphère, un effort concerté a eu lieu pour améliorer la qualité de l'échappement sortant des moteurs d'avion. L'un des domaines principaux qui est couramment exploré est la charge de combustion des moteurs et leur buse d'injection associée. Le but de la présente invention est de réduire les émissions des moteurs à turbine à gaz des avions. En particulier, on a trouvé que par certaines modifications sur des buses d'injection de carburant existantEr il est possible de réduire de façon significative les émissions de matièrespolluantes.A cet effet, le tourbillon est choisi de façon qu'à la fois l'air et/ou le carburant lorsqu'ils sortEntde la zone de combustion sont dans le même sens. Une caractéristique essentiElrz de la présente inven- tion est de réaliser une buse d'injection du type comprenant ues ouverturesprincipale et secondaire d'amenée du carburant pour une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz pour communiquer un tourbillonnement au carburant et à l'air clans le leême sens. Une caractéristique préférée de l'invention est de choisir minutieusement la valeur du rapport de surface de l'entrée d'air et de la sortie de carburant/air pour obtenir une pression positive à l'intérieur de la buse par rapport à la pression dans la zone de combustion de la chambre de combustion en combinaison avec du carburant et air rico- rotation. La sortie du carburant et de l'air en co-rotation dans la zone de combustion de la chambre de combustion réduit les émissions d'hydrocarbures, NOx, et de monoxyde de carbo- ne. On a trouvé que la découverte essentielle de l'in- vention est également particulièrement avantageuse en rapport -2- avec la buse d'injection pourvue d'un dispositif d'injec- tion d'eau. Ainsi qu'il est bien connu, la poussée du moteur peut être augmentée en ajoutant de l'eau à la section du brûleur. Dans les buses d'injection de carbu- rant pour certains moteurs la fois des carburants primaire et secondaire sont injectés dans le brûleur selon des modèles de pulvérisation coniques qui sont co- axiaux. De telles buses sont,par exemple, utilisées dans le moteur JT-9D fabriqué par Pratt & Whitney Aircraft dlu fgroupe United Technologies Corporation. Dans ce système, l'eau est admise en amont du dispositif de pulvérisation du carburant et passe au travers des écrans thermiques de support du carburant avant d'être injectée uans la section de brûleur via les dispositifs générateurs de tourbillonsde la section-de brûleur. Le problème avec cet assemblage est qu'une détérioration significative de la performance du brûleur a été constatée. Egalement, ce type de système d'injection d'eau a montré une forte densité de fumée, produisait des points chauds excessifs à l'entrée de la turbine aussi bien que des distorsions excessives du profil radial de la température d'entrée de la turbine. Il est également bien connu que le carburant et l'air sont injectés dans un brûleur selon une composante tangentielkÄ de façon à obtenir un mélange rapide et complet. Etant donné que l'eau est admise en amont de la jonction o elle se mélange avec le carburant, elle est transportée dans le courant d'air et acquiert le même sens rotationnel.Pour cela, la buse d'injection de carburant comprend des fentes et aubes de tourbillonnement qui sont conçues pour communiquer un mouvement tourbillonnant à la fois au carburant et à l'air. En outre, la buse d'injec- tion est conçue de façon que le modèle d'injection du carburant etb l'air dans la zone de combustion du brûleur a la formedurzi cône irradiant depuis le sommet lorsqu'il quitte la buse d'injection et s'évase en un cône lorsqu'il se propaje en avalaansle brûleur. Dans les structures de buse employées jusqu'à présent, il était habituel de communiquer le mouvement -3- tourbillonnant au carburant dans un: sens qui est opposé au sens de tourbillonnement de l'air.. En changeant le rapport des directionsde tour- bilonnement de façon que le mélange de carburant et- d'air/eau tourbillonnent tous dans le même sens 1 on gêne la tendance du cône externe (mélange air/eau) d'écraser le cône interne (carburant pulvérisé) comme c'est le cas dans les modèles de tourbillonnement à rota- tion en sens contraire et on améliore l'uniformité circon- férentielle de la combustion et on empêche la formation des points chauds localisés qui se manifestentdans la turbine. L'eau dans le flux d'air n'écrase pas le modèle de carburant et ne tenu pas à se conglomérer en flux individualisés. Des essais réels ont montrés une diminution remarquable de l'émission de fumée pendant les performances sous humidité par comparaison aux performances sous humiuité dessystèmesd'injection d'eau çonnu jusqu'à présent. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes ou: La figure 1 est une vue agrandie partiellement en coupe et partiellement en élévation montrant les détails d'un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une vue agrandie partiellement en coupe et partiellement en élévation montrant les détails d'un second mode de réalisation de l'invention. Dans son mode de réalisation préféré, la présen-- te invention a une utilité particulière pour les buses d'injection de carburant pulvérisé sous pression qui comprennent à la fois des systèmes d'injection de carburant primaire et secondaire. Pour les détails de ce type det buse, référence est faite aux buses d'injection de carbu- rant utilisées dans les moteurs JT-8D et JT-9D fabriqués par Pratt & Whitney Aircraft du groupeUnited Technologies Corporation. Pour autant que l'invention concerne seulement la buse d'injection de carburant, les détails du moteur et: de sa chambre de combusticn alimentépar ces buses sont éliminés ici pour des raisons pratiques et de simplicité.Qd il suffise de dire que les moteurs cités ci-dessus utilisent 4- des buses d'injection de carburant à double ouverture com- prenant des buses de pulvérisation principale sous pression et de pulvérisation secondaire sous pression ou à air o la buse principale est utilisée à la fois pour un fonction- nement du moteur à faible poussée et à haute poussée et la buse secondaire est fonctionnelle seulement pour les régimes à haute poussée. Dans la figure 1, la buse d'injection comprend un orifice d'amenée de carburant principal 12 formé dans la buse principale 14 de forme généralement conique et un second orifice d'amenée de carburant 16 communiquant avec le passage annulaire 18 défini entre l'élément de buse 20 coniquement écarté et la buse principale 14. L'anneau de tourbillonnement 22 et la bonde de tour- billonnement 24 servent à communiquer une vitesse tangen- tielle au carburant avant qu'il ne pénètre dans la zone de combustion et à produire le modèle de flux illustré. Une partie de l'air provenant du compresseur est admise dans l'écrou de buse 26 par les fentes 28 de tourbillonnement et de façon similaire communique une vitesse tangentielle à l'air lorsqu'il progresse dans la zone de combustion comme il est montré par le modèle de flux. De l'air est également introduit autour du carbu- rant au travers de l'élément en coupe de tourbillonnement avec une vitesse tangentielle communiquée par les aubes de tourbillonnement 32. Un dispositif diviseur 34 peut être utilisé comme il est montré. Comme on peut le voir, le modèle de flux est ainsi qu'il est indiqué. Ainsi qu'il sera évident à ces spécialistes en la matière, le sens du tourbillonnement et la composante tan- gentielle sont dictés par les aubes et les fentes de tour- billonnement. Selon la présente invention, à la fois l'air et le carburant pénètrant dans la zone de combustion tour- nent dans le même sens. La bonde de tourbillonnement 24 et l'anneau de tourbillonnement 22 aussi bien que les fentes de tourbillonnement 28 et les aubes de tourbillonne- ment 32 communiquent un mouvement tourbillonnant dans une direction commune. La pression à l'intérieur de la buse d'injection secondaire en amont de l'orifice 16 est plus élevée que la pression en aval de celui-ci lorsque seulement du carburant primaire passe. Egalement dans le mode de réali- sation préféré on a trouvé que de bons résultats d'éjection ont été obtenus lorsque l'aiirede la surface annulaire de l'orifice de déchargement défini entre la lèvre 36 associée de l'écrou 26 de buse et l'écran thermique 50 de la buse d'injection, et l'airede l'orifice 36 sont sensiblement égales. Pour garantir une valeur de pression convenable, le nombre de fentes de tourbillonnement 28 de l'écrou de buse d'injection original a été augmenté de 8 à 16 pour une aire de 1,329 cm2. Des essais réelssur moteur réalisé avec ces modifications par comparaison aux buses d'injec- tion utilisées jusqu'à présent ont montré une réduction substantielle des émissions de monoxyde de carbone, d'hy- drocarbureset de NOx. La buse d'injection montrée dans la figure 2 de tous les points de vue essentiels est sensiblement identique à la buse d'injection de la figure 1. A la fois dans les figures 1 et 2 les éléments correspondants sont pourvus des mêmes numéros de référence. La buse d'in-- jection de la figure 2 diffère seulement de la buse d'injection de la figure 1 en ce que l'orifice 36' a une aire plus grande par rapport à l'écran thermique 50 de la buse d'injection que dans le mode de réalisation de la figure 1 et des dispositifs sont prévus pour l'admission de l'eau dans le flux d'air à un endroit donné en amont du dispositif ue tourbillonnement montré par l'entrée 40 et est transportéedans le flux d'air et on l'a fait tourbillonner avec celui-ci par l'écrou 26 de buse et la coupe 30. Comme on peut le voir dans la figure 2, le sens de tourbillonnement pour les deux flux de carbu- rant et de du mélange air/eau sont dans la même direction. L'aspect encC rotation sert à empêcher les gouttelettes d'eau de s'agglomérer dans un flux localisé ce qui autre- -6- nient provoquerait des distorsions dans le profil de températuresémanant de la section de combustion. A partir de tests rëe1s, on a trouvé que l'aspect en co-rotation améliorait la performance du brûleur et réduit les émis- sions de fumée à la sortie du moteur dans les cas avec injection-d'eau. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. --7- Revendications: 1. Buse d'inejction de carburant à double ouverture pour une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz comprenant un compresseur, cette buse d'injection compor- tant un carter de forme généralement conique avec un passage principal pour le carburant disposé centralement dans celle-ci, un passage secondaire pour le carburant, formé dans celle-ci disposé concentriquement par rapport au passage principal de carburant, à la fois les passages principal et secondaire injectant du carburant dans cette chambre de combustion au travers d'un plan sensiblement mutuellement transversal, un dispositif pour communiquer un mouvement de tourbillonnant à l'air provenant du compres- seur entourant le carburant sortant de ces passages principal et secondaire, ce passage principal de carburant étant normalement continuellement opérationnel pendant la période du fonctionnement du moteur, et ce passage secon- daire de carburant étant normalement fonctionnel uniquement pendant les régimes de forte poussée et non fonctionnel - pendant les régimes de faible poussée de cette période de fonctionnement du moteur, un premier dispositif communi- - quant un mouvement tourbillonnant au carburant dans ce passage principal pour communiquer un mouvement de tour- billonnement au carburant sortant, un second dispositif communiquant un mouvement de tourbillonnant au carburant dans ce passage secondaire pour communiquer un mouvement de tourbillonnement au carburant qui en sort, caractérise en ce que ce premier dispositif communiquant un mouvement tourbillonnant, ce-second dispositif communiquant un mouve- ment tourbillonnant au carburant et ce dispositif communi- quant un mouvement tourbillonnant à l'air communique un mouvement de tourbillonnement dans un sens commun. 2. Buse d'injection de carburant à double ouverture selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif pour pressuriser le passage secon- daire lorsque le passage principal est seul opérationnel avec cet air provenant de la section de compression, de sorte que ce passage secondaire maintient une pression positive pour empécher le carburant de ce passage principal -8- de pénétrer dans celui-ci et charbonner les parois de ce passage secondaire. 3. Buse d'injection de carburant du type à double ouverture selon la revendication 2, caractérisée en ce que ce dispositif pour communiquer un mouvement de tour- billonnant à l'air provenant du compresseur comprend un écrou de buse monté à l'extrémité de ce carter en forme conique et ayant une ouverture centrale disposée coaxiale- ment par rapport à l'axe axial de ce passage principal,- un élément d'écran thermique en forme-de dome dont le sommet est fixé au sommet de ce carter de forme conique et une base fixée à la base de ce carter de forme conique, des parois de forme annulaire s'étendant vers l'intérieur de cet écrou de buse et définissant une ouverture centrale disposée coaxialement par rapport à l'axe et écartées axialement de ce sommet de l'élément en forme de dome, l'ouverture centrale de ces parois et cet espace étant dimensionnés de façon que l'air de déchargement du compres- seur acquiert un mouvement tourbillonnant par les passages formés dans la base de cet écrou et le déchargement au travers de cette ouverture centrale pressurise ce passage secondaire lorsque le passage principal seul est opéra- tionnel. 4. Buse d'injection de carburant à double ouverture selon la revendication 1, comprenant un premier passage annulaire disposé concentriquement entre ce passage secon- daire et ce passage principal et un second passage annulai- re monté concentriquement sur et entourant ce passage secondaire pour amener de l'air provenant du compresseur dans ces premier et second passages annulaires pour être mélangé avec le carburant éjecté par ces passages principal et secondaire, un dispositif pour communiquer un mouvement tourbillonnant à l'air passant dans ces premier et second passages annulaires de sorte que l'air de déchargement tourbillonne autour de ce carburant sortant, ces premier et second passages annulaires étant dimensionnés de façon à pressuriser ce passage secondaire lorsque le passage principal seul est opérationnel. 5. Buse d'injection de carburant du type à double -9- ouverture selon l'une que conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que des dispositifs sont prévus pour injecter de l'eau juste à l'avant de ce dispositif communi- quant un mouvement tourbillonnant à l'air. 6. Buse d'injection de carburant à double ouverture selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un écrou de buse disposé coaxialement par rapport aux axes de ce passage principal et ce passage secondaire, des fentes de tourbillonnement dans cet écrou de buse pour communiquer un mouvement tourbillonnant à l'air et à l'eau dans le même sens que le mouvement tourbillonnant du carburant sortant de ce passage principal et de ce passage secondaire. 7. Buse d'injection de carburant selon la revendi- cation 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément en coupe de tourbillonnement de l'air entourant cet écrou de buse ayant des aubes de tourbillonnement disposées coaxialement par rapport à cet écrou de buse pour communi- - quer un mouvement tourbillonnant à l'air et à l'eau dans le même sens que le mouvement tourbillonnant du carburant sortant de ce passage primaire et ce passage secondaire.