Brevet FR2497273A1 — publié le 19820702

L'invention concerne l'allumage par étincelle électrique de mé- langes gazeux carburés utilisés dans les moteurs à combustion interne, les brûleurs à combustible vaporisé des chaudières industrielles, les turbines à gaz et les statoréacteurs. Les procédés d'allumage électrique connus consistent à provoquer, au moment opportun, une étincelle électrique dans le milieu gazeux pour ob- tenir, dans certaines conditions, l'allumage et l'entretien de la combustion. D'une manière générale, l'étincelle est provoquée entre deux élec- trodes espacées l'une de l'autre par un intervalle de 0,6 mm, dépendant des conditions de claquage. L'allumage du mélange est initié par un plasma cylindrique dont la longueur est celle de l'espace inter-électrodes. Le plasma libère de l'éner- gie par conduction thermique et rayonnement et diffuse des espèces activées, ces deux actions favorisant l'allumage du mélange carburé et la propagation de la flamme. Les dimensions relativement faibles du plasma font que le volume de mélange intéressé pour l'allumage est petit par rapport au volume des gaz à allumer. Il s'ensuit des difficultés d'allumage bien connues, d'une part, lorsque la richesse du mélange à allumer est loin du mélange stoechio- métrique, et, d'autre part, par le fait que le mélange gazeux n'est pas suffisamment homogène localement et que le plasma créé, de petites dimen- sions, peut intéresser des zones de mélange dont la richesse est très éloi- gnée du régime stoechiométrique. On sait que l'allongement de l'étincelle conduit à une augmenta- tion de la quantité d'énergie libérée et transmise par conduction au milieu gazeux et à une augmentation du rayonnement et de la densité des espèces activées. On a donc cherché depuis longtemps un moyen d'allonger l'étincelle électrique d'allumage pour augmenter la probabilité de trouver sur la lon- gueur du parcours de l'étincelle ou du plasma, des zones de mélange voisines du mélange stoechiométrique et obtenir un procédé d'allumage performant et fiable. La plupart des travaux antérieurs ont porté sur la mise au point de procédés permettant d'allonger artificiellement le plasma. On peut citer, par exemple, la recherche de la multiplication des sources de libération ponctuelle de l'énergie, l'utilisation de la turbulence pour intensifier les échanges, l'utilisation d'une vitesse des mélanges carburés pour allonger l'étincelle ou encore, la mise en rotation de l'étincelle par un champ électrique ou magnétique. D'autres procédés consistent, pour allonger l'étincelle, à augmen- 2- ter l'intervalle séparant les électrodes et à interposer entre cellesci un élément formant relais pour l'étincelle. Le brevet FR 1 540 265 décrit un tel dispositif dans lequel un élément intermédiaire servant de relais à l'étincelle est interposé à mi- distance dans l'espace inter-électrodes. L'élément est métallique, isolé électriquement des électrodes et supporté par un isolant ayant une bonne conductivité thermique. La longueur totale de l'étincelle produite atteint ainsi 1,2 mm. Dans le brevet FR 2 323 253, qui concerne un allumeur à plasma pour un moteur à turbine à gaz, l'élément interposé entre les deux élec- trodes est un barreau cylindrique en matériau semi-conducteur tel qu'une ferrite ou une ferrite dopée au bioxyde de titane et dont les extrémités sont en contact mécanique et électrique avec, respectivement, chacune des électrodes. La surface externe du barreau est isolée du mélange gazeux par une couche d'émail à l'exception d'une bande longitudinale reliant les deux électrodes et servant de chemin pour l'étincelle. On pense ici, que l'élément semi-conducteur assure le préchauffa- ge local du mélange à allumer provoquant une diminution de la densité locale du gaz qui favorise l'éclatement de l'étincelle. Ces procédés ne permettent pas de s'affranchir totalement des contraintes exposées ci-dessus car l'allumage électrique demeure, de toutes façons, très localisé par rapport au volume de mélange à allumer. La présente invention a pour but d'apporter un remède à cette difficulté. Le procédé de l'invention selon lequel on assure l'allumage élec- trique d'un mélange carburé, même lorsque ce mélange est très pauvre et hétérogène dans le temps et l'espace, résout les problèmes posés par l'art antérieur. L'invention procure les moyens d'obtenir une étincelle de lon- gueur nettement supérieure à la longueur des étincelles obtenues précédem- ment et permet, en faisant glisser cette étincelle sur une surface diélec- trique à résistivité élevée, notamment supérieure à 101.J1... cm, de lui conférer toutes formes susceptibles d'assurer un allumage aisé du mélange, quels que soientla conformation et le type de la chambre de combustion. Les travaux du demandeur dans le domaine de l'électrostatique, de l'étude du mécanisme des décharges électriques et de l'énergétique l'ont conduit à rechercher un moyen pour appliquer une décharge électrique glissante à l'allumage de la combustion de mélanges gazeux carburés. Le procédé de l'invention pour l'allumage des mélanges gazeux carburés consiste à former l'étincelle électrique sur la surface d'un -3 - élément diélectrique de résistivité très élevée, notamment, supérieure à 101îo.. cm, l'élément diélectrique étant interposé entre les deux élec- trodes et en contact intime avec elles. L'étincelle, qui prend naissance au moment voulu et qui glisse sur la surface diélectrique, est guidée selon des trajets choisis en fonc- tion de la conformation des parois de la chambre de combustion et peut avoir toute longueur souhaitée en fonction des divers problèmes d'allumage à résoudre. L'invention prévoit donc des moyens de guidage de l'étincelle à travers l'épaisseur du diélectrique utilisé pour être en mesure,notamment, de former l'étincelle au niveau des parois de la chambre de combustion ou, encore, dans un espace plus limité comme, par exemple, dans un dispositif spécifique d'allumage électrique de la combustion d'une turbine aéronau- tique ou d'un statofusée ou, encore, celle d'un moteur à combustion interne. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode d'exécution. La fig. 1 représente schématiquement un montage conforme à l'in- vention. La fig. 2 est une vue en perspective conforme à la fig. 1. La fig. 3 est une vue de dessus de la fig. 1, illustrant le mécanisme de la décharge électrique. La fig. 4 est une variante en coupe du montage de la fig. 1, conforme à l'invention. Les fig. 5a et 5b sont des exemples d'application de l'invention sur la paroi d'une chambre de combustion. La fig. 6 est un autre exemple d'application de l'invention à un allumeur à plasma installé dans une chambre de combustion d'un turboréacteur. Sur les figures schématiques 1 et 2, une première électrode 1, cylindrique est reliée à un potentiel impulsionnel à haute tension, par exemple de 20 000 volts. L'une des extrémités 10 de l'électrode est appli- quée en contact sur la surface supérieure 11 d'une plaque de matériau dié- lectrique 12. Une seconde électrode 2 dont l'extrémité 20 est située au-dessus de la surface du diélectrique est reliée au potentiel de la terre. Les électrodes 1 et 2 sont alimentées par un système à impulsior comprenant un générateur haute tensionportant le repère global 21. L'électrode 2 est prolongée sur la face 13 du diélectrique, oppo- sée à la face 11, jusqu'au niveau de l'électrode 1 par une lame métallique 14 dont la forme correspond à celle du parcours voulu pour l'étincelle. L'étude d'une décharge électrique sur une surface diélectrique est illustrée fig. 3. On porte la tension de l'électrode 1 de O à quelques -4 - dizaines de kV)de préférence en quelques microsecondes, c'est-à-dire re- lativement lentement. Le champ électrique créé dans la zone de l'extrémité de l'électrode 1 devient très grand et produit une ionisation locale du mélange gazeux. La montée de la tension provoque la formation d'un certain - nombre de petits filaments conducteurs fortement ionisés représentés en 15 et qui vont grandir simultanément à la montée de la tension. L'extrémité des filaments porte une multiplicité de filaments plus courts divergents équiva- lents d'une décharge couronne froide. Il y a circulation de courant dans les filaments 15 qui s'échauffent. Comme ils sont conducteurs, le champ élec- - trique est véhiculé en tète au niveau des filaments courts 16 qui déposent, à la surface du diélectrique, des charges positives. En fin de processus, l'un des filaments ionisés 15 va rencontrer l'électrode 2 reliée à la t-ere et provoquer le court-circuit du générateur électrique 21. En conséquence, une onde de courant très intense remonte de 2 vers 1 dans le filament inté- - ressé et chauffe intensément ce dernier. L'arc transitoire établi reçoit la quasi totalité de l'énergie disponible et peut donc être établi sur une lon- gueur pratiquement quelconque. Mais ce mécanisme est relativement peu satisfaisant car, dans la plupart des cas, l'un seulement des filaments créés va toucher 1 ' électrode - 2 et les autres filaments, qui sont très nombreux et dirigés dans toutes les directions, consomment inutilement une part de l'énergie disponible. C'est pourquoi il est prévu un prolongement de l'électrode 2 misieau potentiel de la terre sous la forme d'une lame métallique ou d'un fil disposé à faible distance de la surface du diélectrique sur laquelle se forme l'etin- - celle, pour influencer, à travers le matériau diélectrique, la formation des filaments de telle sorte que seuls les filaments utiles soient formés et sui- vent un chemin prédéterminé qui peut avoir tout tracé souhaité. La fig. 4 représente une variante des dispositions des fig. 1 et 2, dans laquelle l'électrode 2 est prolongée par une lame métallique 14 insérée dans le diélectrique 12 parallèlement à la face 11, de formation de l'étincelle et distante de celle-ci de la longueur d. On a représenté sur cette figure les charges positives déposées en surface par les filaments 15 ainsi que les charges négatives apportées par le prolongement 14 de l'électrode 2 et qui assurent l'établissement dans le diélectrique 12 d'un champ électrique. - La fig. 5a représente un exemple d'application de l'invention dans le fond d'une chambre de combustion 50. L'électrode 2 est prolongée par des branches rayonnantes 141, 142, 143 pour obtenir une décharge électrique en étoile. Dans la fig. 5 b, le dispositif selon l'invention, est installé sur la - paroi latérale d'une chambre de combustion de turboréacteur. La paroi J. métallique 50 de la chambre porte un évidement pour le logement de l'al- lumeur. Le but est d'obtenir au niveau de la paroi 50 une étincelle de grande longueur. L'allumeur comporte une électrode 1 portée à un potentiel impulsionnel haute tension engendré par le sestème à impulsions2l, une électrode 2 solidaire de la paroi 50 reliée à la borne terre du système à impulsions 21 et un corps diélectrique 12 dont la surface 11 est la sur- face diélectrique de formation de l'étincelle. L'électrode 2 est prolongée par un guide métallique 14 disposé parallèlement à la surface 11. Le guide 14 est une lame mince, rectiligne, permettant d'obtenir une étincelle se - propageant en ligne droite sur une longueur de plusieurs dizaines de centi- mètres sur la surface 11 du diélectrique 12. La fig. 6 est relative à une autre forme d'allumeur du type à injec- tion pour l'allumage des turboréacteurs ou des statoréacteurs. L'allumeur comprend un cors métallique 60 et des moyens de fixation sur la paroi 50 - de la chambre de combustion. L'électrode 1 est logée axialement dans l'al- lumeur, à l'intérieur d'un isolateur 51, selon la technique connue et com- porte à son extrémité un coriz tubulaire diélectrique 12 prenant appui sur l'électrode de masse 2. Un conduit 61, permettant l'introduction de petites quantités de combustible liquide, débouche dans l'intervalle séparant le - électrodes. La surface interne 11 de l'élément diélectrique est la surface de formation de l'étincelle. La surface externe 13 du diélectrique est en appui sur un épaulement hélicoldal usiné dans le corps60 de l'allumeur et qui assure le guidage par influence de l'étincelle sur la surface interne - 11 du diélectrique. En ce qui concerne les matériaux diélectriques utilisables pour la réalisation de l'invention, ils seront choisis parmi ceux qui sont à la disposition du spécialiste, en fonction des modes de réalisation particu- liers de l'invention. Par exemple il sera possible de choisir des composi- - tions de céramiques à base d'alumine ou tout matériau équivalent, la con- dition de résistivité élevée, au moins égale à î01 Z. cm et de préférence supérieure à 10J Dt. cm, étant respectée. L'élément diélectrique pourra, selon le cas, être formé séparément, équipé de l'électrode dé masse et de son prolongement métallique puis in- - tégré dans la paroi de la chambre. Au contraire, il est possible, dans certain cas, de réaliser l'ensemble sur la paroi en utilisant les techni- ques de dépôt par pulvérisation, par exemple au chalumeau à plasma, aussi bien pour le diélectrique que pour le prolongement métallique de l'électrode de masse. Comme suggéré par la description, l'invention s'applique avantagEu- r, 40 - sement dans tous les cas o l'on doit assurer l'allumage des mélanges gazeux carburés, même pauvres, quels que soient le type et la confor- mation de la chambre de combustion. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'allumage électrique d'un mélange gazeux carburé par décharge électrique déclenchée entre deux électrodes caractérisé par le fait que l'on forme l'étincelle sur la surface d'un élément diélectrique de résistivité élevée interposé entre les deux électro- des. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistivité de l'élément diélectrique est au moins égale à 10 l?.. cm. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caracté- risé par le fait que l'étincelle déclenchée est guidée sur la surface diélectrique par influence exercée à travers l'épaisseur de l'élément diélectrique. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on exerce l'influence en canalisant le champ électrique engendré par l'étincelle. 1 5 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le champ électrique de guidage de l'étincelle est canalisé par apport de charges électrostatiques de signe opposé à celles qui sont induites par l'étincelle sur la surface diélectrique. 6 - Dispositif d'allumage d'un mélange gazeux carburé par décharge électrique déclenchée, le dispositif comportant une première élec- trode portée à un potentiel impulsionnel haute tension, une seconde électrode portée au potentiel de la terre, un générateur électrique et des moyens de commande du déclenchement de l'étincelle, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un élément diélectrique à résistivité élevée interposé entre les deux électrodes, en contact intime avec elles et agencé pour que l'étincelle se forme sur une surface du di- électrique en contact avec le mélange. 7 - Dispositif selon la revendication 6, c a r a c t é r i s é en ce que la résistivité du diélectrique est au moins égale à 10 "t.cm. çr- -8- 8 - Dispositif selon la revendication 6 ou la revendication 7, c a r a c t é r i s é en ce que l'électrode portée au potentiel de la terre comporte un prolongement métallique disposé sur la face du diélectrique opposée à la surface de formation de l'étincelle, parallèlement à celle-ci et qui s'étend jusqu'au voisinage de l'élec- trode portée au potentiel haute tension. 9 - Dispositif selon la revendication 8, c a r a c t é r i s é en ce que le prolongement métallique est conformé selon le parcours souhaité pour l'étincelle. - Dispositif selon la revendication 8 ou la revendication 9, c a r a c t é r i s é en ce que le prolongement métallique est cons- titué par une bande mince. 11 - Dispositif selon la revendication 8 ou la revendication 9, c a r a c t é r i s é en ce que le prolongement métallique est cons- tJtué par un fil. 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, c a r a c t é r i s é en ce que le prolongement métallique est intégré dans l'épaisseur de l'élément diélectrique. 13 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, pour la formation d'étincellEsa branches multiples, c a r a c t é r i s é en ce que l'électrode mise au potentiel de la terre comporte autant de prolongements métalliques qu'il est' souhaité de parcours pour l'étincelle. 14 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé en ce qu il est agencé pour constituer une partie au moins de la paroi interne d'une chambre de combustion.