Brevet FR2510665A1 — publié le 19830204

La présente invention concerne les injecteurs de carburant pour moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, ceux pouvant injecter des carburants tant liquides que ga- zeux et destinés aux turbines à gaz industrielles L'invention faisant l'objet du présent brevet est basée sur le type d'injecteur de carburant décrit dans le brevet britannique N 2 1 427 146 comprenant un conduit central disposé de façon à recevoir un courant d'air comprimé et un courant de carburant, un élément déflecteur adjacent à l'extrémité aval dudit conduit et formant avec ce dernier un orifice annulaire de sortie pour l'échappement du mé- lange d'air et de carburant dans une direction générale radiale, ainsi qu'une enveloppe entourant partiellement le conduit central pour former un conduit annulaire dis- posé de façon à recevoir un courant d'air à son extrémité amont pour le laisser sortir par son extrémité aval placée en amont de l'orifice annulaire de sortie 'du conduit cen- tral Ce type d'injecteur de carburant, conjointement avec la chambre de combustion dans laquelle il est disposé, a pour fonction de donner nai sance à deux tourbillons toroldaux adjacents et de sens contraire La fraction la plus im- portante du mélange d'air et de carburant pénètre dans le tourbillon le plus en amont o il est enflammé, et ce mé- lange enflammé passe dans le tourbillon aval alimenté en partie par le courant provenant de l'injecteur de carbu- rant et en partie par l'air secondaire pénétrant dans la chambre de combustion Il importe que le taux de mélange d'air et de carburant dans chaque tourbillon soit maintenu dans certaines limites pour les diverses conditions de fonctionnement du moteur En particulier, le tourbillon amont devra tendre à être riche en carburant mais, dans certaines conditions, on a constaté que ce tourbillon a- mont était moins riche en carburant qu'il n'était souhai- table et que le tourbillon aval était moins pauvre en car- burant qu'il ne fallait, ce qui indiquait une migration ou une répartition disproportionnée, dans les deux tour- billons, du carburant provenant de l'injecteur La présente invention a pour objet de réaliser un injecteur de carburant du type précité dans lequel le taux de mélan- ge d'air et de carburant dans le tourbillon amont peut ê- tre maintenu à un certain niveau minimal, ou au dessus de ce niveau minimal, de façon à retenir les émission de NOX à un niveau acceptable L'invention a également pour ob- jet de réaliser un injecteur de carburant du type précité pouvant fonctionner tant avec des combustibles liquides qu'avec des combustibles gazeux présentant une gamme éten- due de pouvoir calorifique Un autre but de l'invention vise à réaliser un injecteur de carburant du type précité, disposé de façon à réduire les dépôts de carbone sur l'élément déflecteur En conséquence, la présente invention présente un injecteur mixte de carburant pour moteur à turbine à gaz, cet in- jecteur comprenant: un conduit central à extrémités amont et aval béantes; un élément déflecteur adjacent à l'ex- trémité aval du conduit central, ledit élément déflecteur et ladite extrémité aval formant ensemble un orifice annu- laire de sortie orienté radialement; une enveloppe entou- rant, au moins partiellement, le conduit central pour for- mer un conduit annulaire à extrémités amont et aval béan- tes, l'extrémité aval possédant un orifice de sortie annu- laire orienté radialement; ledit conduit central et le- dit conduit annulaire étant tous deux disposés de façon à être alimentés en air comprimé provenant du compresseur du moteur; une tuyauterie interne de carburant destinée à a- mener un courant de carburant au conduit central; et une tuyauterie externe de carburant destinée à amener un cou- rant de carburant au conduit annulaire Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, la tuyauterie interne est disposée de façon à amener un cou- rant de carburant gazeux au conduit central tandis que la tuyauterie externe est disposée-de façon à-amener un-àou- rant de carburant liquide au conduit annulaire Dans ce dispcbitif, appliqué à un carburant liquide, le mélange d'air et de carburant sortira dans une direction générale radiale de l'orifice de sortie de l'extrémité aval du con- duit annulaire, pendant qu'un courant d'air sortira; dans la même direction, de l'orifice annulaire du conduit cen- tral Ce courant d'air tendra à maintenir le carburant liquide dans le tourbillon toroldal le plus en amont, donc à maintenir le taux de mélange d'air et de carburant dans ce tourbillon à la valeur souhaitée le courant d'air ra- dial aura également tendance à empêcher le dép 8 t de car- bone sur l'élément déflecteur Les tuyauteries interne et externe pourront être indépen- dantes du conduit central et du conduit annulaire ainsi que de l'élément déflecteur, en sorte que la tuyauterie de carburant sera fixée au carter du moteur tandis que le reste de l'injecteur de carburant sera fixé à la tête du tube à flamme Cette disposition permet de réduire les dimensions de l'orifice ménagé dans le carter pour la tuyauterie de carburant du fait qu'il n'y aura lieu de tenir compte ni des conduits central et annulaire ni de l'élément déflecteur L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation repré- senté sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un turbomo- teur équipé d'un injecteur de carburant selon un mode de réalisation de l'invention la figure 2 est une vue schématique à plus grande échel- le et partiellement en coupe d'une partie d'un des tubes à flamme-dlu turbomoteur de la figure 1; et la figure 3 est une coupe longitudinale à plus grande échelle de l'injecteur de carburant de la figure 2 La figure 1 montre un moteur à turbine à gaz 10 comprenant un compresseur basse-pression 12, un compresseur haute- pression 14, une turbine basse-pression 16 entraînant le compresseur 12 et une turbine haute-pression 18 entrainant le compresseur 14 Une partie de l'air sortant du com- presseur 12 passe par un conduit de dérivation 20 et se mélange aux gaz d'échappement de la turbine 18 pour quit- ter le moteur par une tuyère 22 Les gaz d'échappement servent ensuite à entralner une turbine motrice (non re- présentée) laquelle met en mouvement un appareil d'utili- sation tel qu'un générateur électrique ou une pompe L'appareillage de combustion 24 du moteur comprend une pluralité de tubes à flamme équidistants 26 logés dans un carter annulaire 28 et équipés chacun d'un tube à flam- me (figures 2 et 3) Ce moteur étant destiné à l'usage industriel, il est con- çu de façon à fonctionner avec des carburants liquides ou gazeux 3 Q Les figures 2 et 3 montrent que l'injecteur de carburant oo Qpr ud un conduit central 32 dont l'extrémité amont 34, comme l'extrémité aval 36, sont béantes Un élément déflecteur 38, porté par ledit conduit au moyen d'un ou plusieurs bras 40, est placé à l'extrémité aval 36 de ce conduit 32 L'élément déflecteur 38, conjointement avec une lèvre 36 a de l'extrémité 36 du conduit, forme un ori- fice annulaire de sortie 42 disposé de façon que l'air ou le mélange d'air et de carburant qui en sort s'écoule dans une direction générale radiale vers la paroi circu- laire du tube à flamme 26 Le conduit central 32 est fixé, par un ou plusieurs bras 46, à une enveloppe 44 elle-même fixée à la tête 46 du tube à flamme 26 Cette enveloppe entoure, au moins en partie, le conduit central pour former un conduit annu- laire 48 dont les extrémités-amont 50 et aval 52 sont bé- antes Cette extrémité aval 52 forme, conjointement avec la lèvre 36 a du conduit central, un orifice annulaire de sortie 54 dirigeant le courant d'air ou de mélange d'air et de carburant dans une direction générale radiale vers la paroi circulaire du tube à flamme 26 Le tube à flamme 26 comporte un collier de refroidissement 68 dirigeant l'air réfrigérant vers l'amont et vers l'aval ainsi que des orifices d'entrée d'air secondaire 70 L'injecteur de carburant 30 et le tube à flamme 26 foncti- onnent selon un principe fondamental semblable à celui du dispositif décrit dans le brevet britannique N 2 1 427 146, à savoir que deux tourbillons toroldaux de sens contraire 72 et 74 prennent naissance dans le tube à flamme L'ex- trémité amont de l'enveloppe 44 va en s'évasant et compor- te un épaulement 45 d'o le carburant liquide qui tendrait à s'écouler vers l'amont pourra être éloigné par le cou- rant d'air comprimé Lorsque l'injecteur de carburant 30 fonctionne au carburant liquide, un mélange d'air et de carburant liquide s'écoule dans le conduit annulaire 48 et est injecté dans le tube à flamme dans une direction générale radiale vers la paroi du tube à flamme pour venir se combiner au tourbillon a- mont 72 qui reçoit également l'air provenant du collier de refroidissement 68 Simultanément, un courant d'air com- primé s'écoule dans le conduit central 32 et sort par l'o- rifice 42, également dans une direction générale radiale, vers la paroi du tube à flamme et sépare l'un de l'autre les deux tourbillons Le taux de mélange du tourbillon amont est calculé de fa- çon à être riche en carburant, ce taux allant de 6/1 à 10/1 mais compris, de préférence, entre 7/1 et 8/1 de façon à maintenir à un niveau acceptable les émissions de N Ox le carburant brûle dans le tourbillon amont et les produits de la combustion, qui peuvent contenir du carburant non brûlé ou incomplètement bralé, passent dans le tourbillon aval qui reçoit l'air secondaire et présente un taux de mélange pauvre encarburant compris entre 22/1 et 28/1 et, de préférence, de 25/1 environ Le courant d'air comprimé sortant de l'orifice 42 tend à retenir le carburant dans le tourbillon amont pour y maintenir le taux de mélange souhaité en s'opposant à une migration éventuelle d'une partie du carburant dans le tourbillon aval, ce qui appau- vrirait le tourbillon amont et enrichirait le tourbillon aval et accentuerait plutôt que réduirait les émissions de NO Le courant d'air sortant de l'orifice 42 tend également à empêcher le dép 8 t de carbone sur l'élément déflecteur en maintenant les produits de la combustion éloignés de ce dernier Il importe de réduire au minimum les dép 8 ts de carbone car, si ceux-ci sont importants, le carbone finira par se fragmenter et pourra aller endommager les organes du moteur situés plus en aval Lorsque l'injecteur fonctionne au carburant gazeux, ce carburant s'éco ule dans le conduit 52 en même temps que l'air comprimé et le mélange gagne le tube à flamme par l'orifice 42 pendant qu'un courant d'air comprimé pénètre dans le tube à flamme par le conduit annulaire 48 et l'o- rifice 54 Ce second courant d'air renforce le tourbillon 72 mais, avec des carburants gazeux, l'introduction et la répartition du carburant dans les tourbillons n'a pas une aussi grande importance qu'avec les carburants liquides en ce qui concerne la production de NOX Avec-les carburants gazeux, il n'est pas non plus besoin de prendre des dispo- sitions particulières en ce qui concerne les dépôts de car- bone du fait qu'en général leur combustion ne donne pas de résidus et n'engendre pas de quantités appréciables de car- bone libre Sur les dessins représentant le mode de réalisation décrit, la tuyauterie d'alimentation de carburant 56, 64 est re- présentée indépendante des conduits 32 et 48 et de l'élé- ment déflecteur 38 pour permettre de réduire les dimensions. des orifices de passage de la tuyauterie d'alimentation de carburant à travers le carter du moteur Mais dans certai- nes circonstances, la tuyauterie de carburant pourra être jointe ou combinée au reste de l'injecteur, par exemple dans le cas o ce dernier serait du type inversé, pour ê- tre montée sur un moteur existant dont le carter présente- ra des orifices de passage impossibles à modifier REVENDICATIONS 1 Injecteur mixte de carburant pour moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un conduit cen- tral ( 32) à extrémités amont et aval ( 34, 36) béantes un élément déflecteur ( 38) adjacent à l'extrémité aval du conduit central, ledit élément déflecteur et ladite extrémité aval formant ensemble un orifice annulaire de sortie ( 42 > orienté radialement; une enveloppe ( 44) entourant, au moins partiellement, le conduit central pour former un conduit annulaire ( 48) à extrémités a- mont et aval ( 50, 52) béantes, l'extrémité aval possé- dant un orifice de sortie annulaire ( 54) orienté radia- lement; ledit conduit central et ledit conduit annu- laire étant tous deux disposés de façon à être alimen- tés en air comprimé provenant du compresseur du moteur dans lequel l'injecteur est monté; une tuyauterie in- terne de carburant ( 64) destinée à amener un courant de carburant au conduit-central; et une tuyauterie exter- ne de carburant ( 56) destinée à amener un courant de carburant au conduit annulaire 2 Injecteur mixte de carburant selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la tuyauterie interne de carbu- rant ( 64) est disposée de façon à amener un courant de carburant gazeux au conduit central ( 32), et en ce-que la tuyauterie externe de carburant ( 56) est disposée de façon à amener un courant de carburant liquide au con- duit annulaire ( 48) 3 Injecteur mixte de carburant selon la Revendication 2, caractérisé en ce que les tuyauteries interne et exter- ne de carburant ( 64, 56) coopèrent avec les conduits central ( 32) et annulaire ( 48) mais en sont séparés 4 Injecteur mixte de carburant selon la Revendication 2, caractérisé en ce que la tuyauterie interne de carbu- rant ( 64) comprend un conduit de section circulaire se terminant par une buse annulaire ( 66), et en ce que la tuyauterie externe de carburant ( 56) comprend un con- duit se terminant par un collecteur percé d'une plura- lité de busettes de sortie ( 62) Injecteur mixte de carburant selon la Revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité amont de l'enveloppe ( 44) est évasée et comporte un épaulement ( 45) disposé à arrêter le carburant tendant à s'écouler en direction de l'amont