Brevet FR2500118A1 — publié le 19820820

L'invention concerne l'énergétique thermique et concerne notamment les brûleurs à rotation pour combustibles liquides. La combustion des combustibles liquides pose le problè me de leur dispersion et leur mélange régulier avec de l'air. L'utilisation d'injecteurs à jets tangentiels, réalisés, par exemple, selon la demande de la R.F.A. nO 2750718,cl. B05B 1/100 1978, assurant une bonne pulvérisation des combustibles à faible viscosité, s'avère peu efficace dans le cas des combustibles visqueux car les pertes énergétiques provoquent une baisse sensible de la qualité de la pulvérisation. Des méthodes efficaces d'intensification de la pulvérisation, selon lesquelles on prévoit la pulvérisation par air comprimé ou à l'aide de radiateurs à ultra-son (cf. par exemple le brevet français nO 2026912 cl. B05B, 1970) permettent de réaLiser une pulvérisation de bonne qualité mais sont caractérisées par un faible rendement économique ; elles exigent de l'air comprimé et entraînent une augmentation de la teneur en oxydes d'azote dans les produits de combustion. Dans le cas de la combustion de combustibles visqueux du type mazout, les brûleurs à rotation comprenant un corps avec un ajutage à l'intérieur duquel est monté un pulvérisateur de combustible en forme de bottier de manière à pouvoir tourner et former, avec le tronçon de sortie de l'ajutage, un canal annulaire convergent raccordé à la source d'alimentation en air (voir, par exemple, brevet d'invention des Etats-Unis d'Amérique, nO 3660006 cl. 431/168, 1972) se sont montrés comme les plus efficaces. Dans lesdits brûleurs, le combustible stécoule, sous l'action des forces centrifuges, suivant la surface interne du cylindre pulvérisateur en formant, à son bord, une nappe mince de liquide.A la différence des injecteurs à jets tangentiels utilisant I'énergie du liquide même pour accélérer le flux de liquide, surmonter les forces de frottement et la tension superficielle du liquide en cas de pulvérisation de celui-ci, les injecteurs à rotation fournissent une énergie supplémentaire, à partir du rotor qui tourne entraîné par exemple par un moteur-électrique, au liquide qui s'écoule du bord du cylindre pulvérisateur sous la forme dtune nappe mince annulaire qui se disperse à grande vitesse en gouttelettes. L'air s'écoulant du canal convergent formé par l'ajutage et le cylindre, disperse le combustible liquide en assurant la formation d'un flux diphasé de mélange combustible-air. Cependant, lors de la pulvérisation de liquides visqueux, surtout de liquides non newtoniens englobant les mazouts pauvres, à l'aide des dispositifs indiqués, la qualité de la pulvérisation baisse notablement et le mélange air-combustible devient moins homogène. Des oxydes d'azote se forment alors dans les zones de combustion intense et dans les zones de compositions stoechiométriques du mélange, et des produits toxiques dus à la combustion incomplète apparaissent dans les zones de compositions non stoechiométriques.Cela signifie qu'au fonctionnement sans fumée des brûleurs en question on n'arrive pas à abaisser la valeur moyenne du coefficient d'exces de comburant Cla au-dessous de 1,25 à 1,28, ce qui provoque une diminution du rendement thermique des installations thermo-énergétiques dotées de tels brûleurs. Lorsquton abaisse la valeur en vue d'élever le rendement thermique du brûleur, les produits de combustion contiennent simultanément des fumées et des composés organiques toxiques non brûlés du type CO et CH4, y compris des can cérigènes (3,4 - benzopyrène), et des oxydes d'azote (principalement NO et N02). On s'est donc proposé de mettre au point un brûleur, dont la disposition permettrait de rendre plus complète la combustion des combustibles visqueux, d'élever les performances économiques de combustion et de diminuer la teneur des fumées en produits toxiques. Ce problème est résolu à l'aide d'un brûleur à rotation comprenant un corps avec un ajutage à l'intérieur duquel un pulvérisateur de combustible est monté de manière à pouvoir tourner et est réalisé sous la forme d'un cylindre formant, avec le tronçon de sortie de l'ajutage, un canal annulaire conversent raccordé à une source d'alimentation d'air, ledit brûleur étant caractérisé en ce qu'â la surface externe du cylindre et à proximité de son bord, est montée une rangée annulaire d'aubes en forme de coins dont les pieds sont orientés dans la direction du bord du cylindre. Les voies de tourbillons de Karman qui se forment en aval des pieds des coins intensifient la pulvérisation du liquide et le transfert de chaleur et de masse dans la zone de combustion et y forment des régions de mélanges air-combustible riches et pauvres. Lors de leur combustion, la quantité d'oxydes d'azote qui se dégagent diminue considérablement grâce à une température de combustion réduite et une post-combustion des produits non brûlés se déroule dans le champ rotationnel dû aux voies de tourbillons de Karman. Ainsi, le dispositif de la présente invention assure la combustion en deux phases du combustible liquide prévoyant une combustion préliminaire dans les voies de tourbillons formées entre les aubes en forme de coin, et la post-combustion des produits de combustion pauvres au moment de leur dissipation dans la zone de combustion tournante. Afin de maîtriser la formation des tourbillons et intensifier la pulvérisation, une des faces latérales de chaque aube est biseautée et le corps du coin présente une cavité résonnante orientée vers le biseau du coin voisin. En s'écoulant par le canal entre les aubes, le jet d'air produit des oscillations acoustiques dans les cavités résonnantes des aubes qui, en faisant rayonner les oscillations vers la zone de mélange, contribuent à la pulvérisation de la nappe de liquide. D'autre part, lesdites oscillations assurent un débit pulsatoire de l'air circulant par les passages entre les aubes ce qui aboutit à un décollement périodique des tourbillons des arêtes de sortie des aubes. Dans le cas de chambres à intensité de combustion déter minée, l'accrochage d'oscillations acoustiques peut provoquer une combustion en résonance dangereuse pour la construction de la chambre. Pour pallier cet inconvénient, il faut rendre asynchrones les oscillations produites par chaque résonateur séparément. Selon I'invention, on parvient à cet objectif en réalisant les cavité s résonnantes des aubes voisines avec un diamètre qui s'écarte du diamètre moyen dans une gamme de 12 à 36 Uo. Les écarts inférieurs â 12 S n1 assurent pas le décalage requis de fréquences à cause d'une mauvaise qualité de la chambre de combustion en tant que cavité acoustique, et peuvent provoquer des battements à basse fréquence indésirables entre les oscillations engendrées. Si la valeur de l'écart du diamètre est supérieure a 36 9Z, elle peut engendrer des harmoniques multiples d'oscillations qui nuisent à la fiabilité de fonctionnement da brûleur. D'autres caxactéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description d'un exempie de réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 donne une vue d'ensemble, en coupe longitu- dinale, du brûleur à rotation selon l'invention - la Fig. 2 représente un brûleur selon l'invention vu suivant la flèche A de la figure 1 - la Fig. 3 représente un développement de la surface externe du cylindre pulvérisateur avec aubage et un schéma d'écoulement de l'air à travers la couronne d'aubes - la Fig. 4 représente un autre mode de réalisation de 1' organe pulvérisateur avec des cavités résonnantes dans les aubes, vu en coupe longitudinale - la Fig. 5 représente un développement de la couronne d'aubes avec les cavités résonnantes dans les aubes, et - la Fig. 6 est un schéma de propagat-on des tourbillons dans l'espace du brûleur selon l'invention. Le brûleur à rotation comprend un corps 1 (figure 1) mu ni d'un ajutage 2 pouvant se déplacer dans le plan axial, un arbre 3 dans lequel est pratiqué un canal 4 d'amenée de combustible et un cylindre pulvérisateur 5 fixé sur l'arbre 3 au moyen d'un distributeur 6 de combustible percé de trous 7 assurant la communication entre la cavité interne 8 du cylindre 5 et le canal 4 d'amenée de combustible. Sur la surface externe du cylindre 5, formant avec le corps 1 et l'ajutage 2 un canal annulaire convergent 9 prévu pour amener l'air sous pression à proximité du bord 10 du cylindre 5, est montée une rangée annulaire d'aubes 11 dont chacune présente un pied 12 (figure 2) à mauvaise caractéristique aérodynamique et un bord d'entrée 13 effilé (figure 3). Ainsi, les aubes 11 en forme de coin forment des canaux 14 qui convergent dans le sens d'écoulement du flux. Le brûleur à rotation peut être pourvu d'aubes 11 (figure 4) réalisées avec des biseaux 15 (figure 5) près des pieds 12, ces biseaux formant un tronçon 16 divergeant dans le sens d'écoulement du canal 14. Dans le corps des aubes 11, près de l'endroit étroit du canal 14, on a ménagé des cavités résonnantes 17 orientées dans la direction du biseau 15 de l'aube voisine et formant, avec la face de l'aube 11, des arêtes 18 tranchantes, orientées dans le sens opposé au sens d'écoulement du courant d'air dans les canaux 14. Le dispositif fonctionne de la façon suivante. L'arbre 3 et le cylindre 5 (figure 1) étant animés d'un mouvement de rotation, le combustible est canalisé par le canal 4, via les trous 7 du distributeur 6, vers la cavité interne du cylindre 5, puis s'écoule sous l'action des forces centrifuges suivant la périphérie dudit cylindre et quitte le bord 10 de celui-ci sous la forme d'une nappe mince annulaire qui se disperse en gouttelettes. Lors de l'injection d'air comprimé dans la cavité interne du corps 1, celui-ci est canalisé par le canal convergent 9 et les canaux 14 (figure 2) formé par les aubes 11, pour attaquer la nappe de combustible. Pendant que les courants d'air contournent les pieds 12 (fi gure 3) des aubes 11, ils forment, en aval de ces dernières, des zones de courants 19 tourbillonnaires inverses (les dites voies de Karman), qui se caractérisent par une turbulence élevée et une vitesse réduite par comparaison avec le courant 20 non perturbé. Ayant pénétré dans les courants 19 et 20, la nappe de combustible se disperse en fines gouttelettes et forme avec l'air des mélanges de différentes concentrations : un mélange enrichi dans les voies des tourbillons 19 et un mélange appauvri dans le cas des courants 20 non perturbés. Pendant la rotation du cylindre 5, les courants 19 et 20 acquièrent une forme en spirale (figure 6) en formant suivant in espace de combustion des zones alternantes de mélanges enrichis et appauvris.Après l'allumage, les zones mentionnées brûlent à des températures plus basses que dans le cas d'une combustion stoechiométrique en formant des produits de combustion incomplète dépourvus d'oxydes azote. Pendant la progression ultérieure dans la zone de combustion, ces produits brûlent rapidement les uns dans les autres après avoir été mélangés par les tourbillons du champ rotationnel créé par les aubes 11. Cela assure une combustion plus complète et la formation d'oxydes d'azote n'est pas grande, ce qui se traduit par une faible concentration de ltoxygène dans les produits appauvris de la combustion incomplète et de la post-combustion rapide. Grâce à la réalisation des aubes 11 avec les biseaux 15 (figure 5) et avec les cavités résonnantes 17, ces dernières produisent, pendant que le courant d'air des canaux 14 contourne les arêtes tranchantes 18, des oscillations acoustiques qui régularisent la formation de tourbillons par paires dans les voies de Karman 19 et, d'autre part, émettent des ondes de pression favorisant la fragmentation poussée des gouttelettes du combustible. Dans ce cas, l'hétérogénéité de la composition du mélange air-combustible est observée non seulement suivant la longueur de la zone de combustion mais aussi suivant la longueur des voies de tourbillon 19. Grâce au fait que les cavités résonnantes des aubes voisines 11 sont réalisées avec un diamètre variant d'une aube à l'autre, elles engendrent des oscillations de différentes fréquences ce qui permet d'éviter la combustion en résonance dans les chambres à combustion. En ayant maintenu la différence des diamètres des cavités résonnantes dans les limites de 0,12 à 0,36 de la valeur moyenne, on a réussi à amortir les harmoniques multiples d'oscillations et élever ainsi la stabilité de la combustion. REVENDICATIONS 1 - Brûleur à rotation pour combustbles liquides comprenant un corps (1), muni d'un ajutage (2) à l'intérieur duquel un pulvérisateur de combustible est monté de manière à pouvoir tourner et est réalisé sous la forme d'un cylindre (5) formant, avec le tronçon de sortie de l'ajutage (2), un canal annulaire convergent (9) raccordé à une source d'alimentation en air, caractérisé en ce que sur la surface externe du cylindre (5) près de son bord (10), est montée une rangée annulaire d'aubes (11) en forme de coins dont les pieds (12) sont orientés dans la direction du bord (10) du cyl indre. 2 - Brûleur suivant la revendication 1, caractérsé en ce ou'une face latérale de l'aube (il) est biseautée (15) et que dans le corps de chaque aube (11) est ménagée une cavité résonnante (17) orientée en direction du biseau (15) de l'aube voisine. 3 - Brûleur suivant la revendica-tion 1 ou 2, caractérisé en ce que les diamètres des cavités résonnantes (17) varient d'une aube à l'autre et diffèrent du diamètre moyen des cavités avec un écart compris dans les limites de 0,12 à 0,36.