Brevet FR2505401A1 — publié le 19821112

i la présente invention concerne les chambres de combus- tion du type annulaire pour moteurs à turbine à gaz et vise en particulier à réaliser une chambre de com- bustion annulaire diminuant les émissions nuisibles du moteur L'entrée en vigueur d'une législation concernant la pollution de l'environnement, en particulier aux Btats Unis d'Amérique, a amené les constructeurs de moteurs à turbine à gaz à faire des efforts considérables pour diminuer les émissions nuisibles des moteurs à turbine à gaz Ces émissions sont constituées par des carbu- rants incomplètement brtlés et par de l'oxyde de car- bone habituellement engendré aux faibles puissances de fonctionnement du moteur et par des oxydes nitri- ques et des fumées engendrés aux fortes puissances de fonctionnement du moteur La ma trise de toutes ces émissions par un seul et même type de chambre de com- bustion s'est révélée très difficile, même avec des chambres de combustion à système d'injection à plu- sieurs étages Ceci est dé à ce que la solution du problème aux régimes faibles a tendance à aggraver ce problème aux régimes forts et vice-versa La présente invention vise à réaliser une chambre de combustion dans laquelle les émissions se produisant aux faibles puissances et les fumées apparaissant aux régimes forts seront complètement maltrisées tandis que l'émission d'oxydes nitriques le sera au moins en partie Pour atteindre ces objectifs, la chambre de combustion selon la présente invention est basée sur la maîtrise très poussée des processus aérodynamiques et thermodynamiques se déroulant dans la zone primaire de la chambre de combustion: la présente invention réalise une chambre de combus- tion annulaire pour moteur à turbine à gaz, cette chambre comprenant une partie annulaire définie par des parois annulaires interne et externe et par une paroi d'extrémité amont, lesdites parois interne et externe possédant une pluralité d'ouvertures permet- tant à l'air de pénétrer dans ladite partie annulaire, ladite paroi d'extrémité amont possédant une plurali- té d'ouvertures équidistantes, un pot tronconique à base aval béante étant fixé à ladite paroi d'extrémi- té amont coaxialement à chacune desdites ouvertures de celle-ci, l'angle inclus de chaque pot se situant dans la gamme de 309 à 90 e, un injecteur de carburant et un générateur de turbulence étant placés dans l'ex- trémité amont de chaque pot, ledit générateur de tur- bulence étant placé entre l'injecteur de carburant et la paroi du pot, chaque générateur de turbulence com- portant une pluralité d'aubes incurvées pouvant dé- vier un courant d'air d'un angle pouvant atteindre 652, une partie au moins des ouvertures desdites pa- rois annulaires interne et externe étant disposées de façon à diriger un courant d'air sur la face aval de ladite paroi d'extrémité amont L'invention est décrite ci-après en détail en se ré- férant à quelques exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un turbo- réacteur à soufflante canalisée, équipé d'une cham- bre de combustion annulaire selon la présente in- vention; la figure 2 est une coupe longitudinale schématique et à plus grande échelle de la chambre de combustion du turboréacteur de la figure 1; la figure 3 est une coupe longitudinale schématique, et à bien plus grande échelle encore, de l'extrémité amont de la chambre de combustion de la figure 2; la figure 4 est une vue identique à celle de la fi- gure 3 montrant une variante de l'invention; la figure 5 est une coupe, analogue à celle de la figure 2, montrant une seconde variante de l'inven- tion; la figure 6 est une vue dans le sens de la flèche A de la figure 5 la figure 7 est une vue de détail de la partie de la figure 5 entourée d'un cercle B; la figure 8 est une coupe longitudinale d'un injec- teur de carburant à nébulisation par air, utilisable avec les chambres de combustion des figures 3, 4 et , 6, 7; et la figure 9 est une coupe selon la ligne 9-9 de la figure 8 La figure 1 représente, en coupe longitudinale, un turboréacteur à soufflante canalisée 10 comprenant une soufflante avant unique 12 entraînée par une turbine basse pression 14, un compresseur moyenne pression 16 entratné par une turbine moyenne pression 18, un compresseur haute pression 20 entralné par une turbine haute pression 22, et un appareillage de com- bustion 24 L'air mis en mouvement par la soufflante 12 s'écoule par un conduit de dérivation 26 et s'échappe par une tuyère propulsive 28 tandis que les gaz sortant des turbines 14, 18 et 22 s'échappent par une seconde tuyère propulsive 30 L'appareillage de combustion 24, représenté plus en détail sur la figure 2, comprend une chambre de com- bustion annulaire 32 définie par une paroi annulaire interne 34 et par une paroi annulaire externe 36, une paroi d'extrémité amont 38, et, à son extrémité aval, une pluralité d'aubes de guidage de sortie 40 - Cette chambre de combustion est renfermée dans un carter annulaire 42 constitué par une enveloppe interne 44, une enveloppe externe 46, et, à son extrémité amont, par un capuchon 48 Ce carter annulaire 42 reçoit un courant d'air sous pression venant du compresseur haute pression 20 et pénétrant par une série d'aubes de guidage 50 et par un diffuseur de décharge 52- La paroi d'extrémité amont 38 est percée d'une plura- lité d'ouvertures 54, équidistantes et disposées cir- conférentiellement, coaxiâlement à chacune desquelles est monté un pot 56, fixé à ladite paroi amont 38, et présentant un angle inclus, de 909 en principe, s'ou- vrant vers l'aval Un injecteur de carburant 58 est monté à l'extrémité amont de chaque pot, et un géné- rateur de tourbillons d'air 60 est inséré entre l'in- jecteur 58 et le pot 56 Un couvercle en forme de couronne hémi-toroldale 62 ferme l'extrémité amont de la chambre de combustion 32; ce couvercle est percé d'une pluralité d'ouver- tures 64 permettant la pénétration de l'air dans la zone primaire de la chambre de combustion et dans l'injecteur de carburant, ainsi que le montage de chaque injecteur dans son pot respectif De préférence, chaque injecteur sera du type à nébu- lisation par air, dans lequel un courant d'air à hau- te pression et à grande vitesse vient frapper un un courant de carburant en forme de nappe ou de jets in- dividuels pour nébuliser ce carburant La figure 3 montre que le générateur de tourbillons d'air 60 comprend un aubage dont les aubes sont in- curvées de façon à pouvoir dévier le courant d'air d'un angle d'environ 652 L Ia paroi interne 34 et la paroi externe 36 sont per- cées de conduits 66 pour l'entrée d'air de dilution, et d'orifices d'entrée 68, 70 et 72 pour la pénétra- tion de l'air principalement destiné au refroidisse- ment des parois de la chambre de combustion Ces o- rifices d'entrée 68, 70 et 72 sont constitués, essen- tiellement, par une pluralité de trous très rappro- chés les uns des autres, percés sous un angle déter- miné pour assurer l'écoulement de l'air réfrigérant dans la direction requise Le courant d'air pénétrant par les orifices 68 assume, outre sa fonction de re- froidissement de la paroi d'extrémité amont 38, une fonction régulatrice d'écoulement, comme on le décri- ra plus loin N les caractéristiques individuelles du dispositif sont établies et assemblées de façon à produire les effets suivants: un puissant vortex double occupant essen- tiellement tout le volume de la zone primaire de com- bustion, c'est à dire l'enceinte située en amont des conduits 66; un moyen d'emp Bcher l'entra Inement du carburant dans le courant d'air de refroidissement des parois, essentiellement un balayage de toutes les surfaces métalliques par un courant d'air rapide er- péchant l'accumulation de carbone et diminuant lié- tendue des surfaces à refroidir Le puissant vortex double est engendré par les pots 56, grâce à leur grand angle inclus, et l'adhérence du courant aux pots est assurée par les générateurs de tourbillonnement 60 qui peuvent dévier ce courant d'un angle de 602 ou plus Le courant d'air rabattu vers l'intérieur, pénétrant par les orifices 68, et qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal de la chambre de combustion, empêche le carburant contenu dans le double vortex de s'en séparer et d'être en- trainé dans les courants d'air réfrigérant contigus aux parois 34 et 36 de la chambre de combustion En ce qui concerne les surfaces de la chambre de com- bustion, l'intérieur des pots est balayé par l'air sortant en tourbillonnant des générateurs de turbu- lence 60, la paroi d'extrémité amont 38 est balayée par l'air pénétrant par les orifices 68, et les pa- rois 34 et 36 sont balayées par l'air pénétrant par les orifices 70 et 72 - Outre la production du puissant vortex double recher- ché, l'emploi des pots de grand angle 56 présente en outre l'avantage de réduire l'étendue des surfaces à refroidir Lorsque le turboréacteur fonctionne, le carburant par- vient à l'injecteur 58 et l'air traverse cet injecteur 58, les aubes du générateur de turbulence 60, et les orifices d'entrée d'air 66, 68, 70 et 72 Un courant vortex toroldal très énergique, indiqué par les flè- ches A et B, prend naissance dans la zone primaire de la chambre de combustion sous l'action des pots d'an- gle très ouvert 56 et des aubes de turbulence 60 Il se produit un mélange très rapide de l'air et du carburant, même aux régimes de faible puissance o, du fait de la pression et de la vitesse relativement faibles de l'air dans l'injecteur, l'effet nébulisant de cet air se trouve réduit Tout carburant tendant à s'échapper du courant principal du vortex pour pas- ser dans le courant de refroidissement des parois est capturé par le courant d'air entrant par les orifices 68 et maintenu dans le vortex Pratiquement, la to- talité du carburant prend donc part au processus de combustion, en particulier aux faibles puissances, ce qui diminue les émissions d'hydrocarbones non brûlés et d'oxyde de carbone dans ces conditions de régime Les conditions aérodynamiques et thermodynamiques en- gendrées dans la zone primaire de la chambre de com- bustion y créent en outre un mélange plus riche, tant aux régimes de faible que de grande puissance Aux régimes faibles, un mélange plus riche est tolérable du fait de l'amélioration du rendement de la combustion tandis qu'aux régimes de forte puissance, ce mélange plus riche tend à diminuer les émissions de NO bien que la production de fumée puisse augmenter mais pas jusqu'à un niveau inacceptable Dans la variante de l'invention représentée à la fi- gure 4, chacune des parois annulaires 34 et 36 de la chambre de combustion présente une gorge annulaire de refroidissement 74, de section transversale en forme de V, possédant chacune un orifice d'entrée d'air 76 dirigé vers l'amont et un orifice d'entrée d'air 78 dirigé vers l'aval L'air pénétrant par ces orifices est destiné à refroidir les parois de la chambre de combustion, mais l'air pénétrant par les orifices 76 sert en outre à renforcer le courant d'air passant par les orifices 68 pour empocher l'entraînement du carburant par le courant d'air réfrigérant Tout carburant venant à se mélanger au courant d'air réfrigérant brle difficilement du fait que le taux de mélange et la température seront faibles La figure 8 montre un injecteur de carburant à nébu- lisation par air 58 comprenant un corps 80 et une buse 82 définissant entre eux un conduit de venturi 84 se terminant par un orifice circulaire de giclage 86 Cet injecteur est monté au centre de la couronne d'aubes 60 du générateur de turbulence et comporte un distributeur de carburant 88 communiquant avec le con- duit de venturi 84 par des orifices d'entrée de carbu- rant 90 perpendiculaires ou obliques De préférence, les aubes génératrices de turbulence comprennent une série d'aubes incurvées, contrairement aux aubes rectilignes inclinées, habituellement uti- lisées, sujettes au décrochage des filets d'air et à un fonctionnement partiellement vide d'air lorsqu'el- les dévient ce dernier d'un grand angle, par exemple de plus de 452 Comme le montre la figure 9, les aubes du générateur de turbulence sont disposées de façon à dévier l'air selon des angles allant jusqu'à 652, chacune d'elles ayant une partie d'entrée d'air alignée sur la direction d'arrivée de l'air et allant épouser la partie restante de l'aube inclinée à l'an- gle voulu de sortie d'air De préférence, les passa- ges de sortie constitués par les intervalles séparant les aubes 60 seront assez longs pour que l'air quit- tant le générateur de turbulence le fasse sous l'angle voulu et non sous un angle inférieur Bn se reportant maintenant aux figures 5, 6 et 7, dans lesquelles les éléments identiques à ceux des figures précédentes portent les m Omes chiffres, on voit l'ap- pareillage de combustion 24, sur toute sa longueur, enfermé dans l'enveloppe 92 d'un moteur Deux cou- ronnes de garnissage 94 et 96 sont placées, respecti- vement, entre la paroi interne 34 de la chambre de combustion et l'enveloppe interne 44 du carter annu- laire 42, et entre la paroi externe 36 de ladite chambre de combustion et l'enveloppe externe 46 dudit carter Ces couronnes de garnissage servent à mal- triser la vitesse de l'air s'écoulant entre elles et les parois de la chambre de combustion L'extrémité amont de la chambre de combustion est im- mobilisée au moyen d'une série de broches 98 portées chacune par l'injecteur 58 correspondant et s'enga- geant dans un alésage ménagé dans une plaque 100 fi- xée au couvercle 62 Les figures 6 et 7 en particulier, montrent la fixa- tion des pots 56 à la paroi d'extrémité amont 38 de la chambre, et à un écran thermique annulaire fait de segments contigus 102 percés chacun d'une ouverture circulaire 104 correspondant au diamètre de la partie aval du pot 56 correspondant Les segments constituant l'écran thermique sont ali- mentés en air réfrigérant par des orifices 106 ménagés dans une bride 56 a de chaque pot L'air réfrigérant pénètre dans une enceinte 108 formée entre le segment de l'écran thermique et la bride 56 a, et s'échappe par un interstice annulaire 110 entre ce segment et le pot Bien que l'angle inclus de chaque pot 56 doive, de préférence, être d'environ 902 pour engendrer une in- version énergique de l'écoulement dans la zone pri- maire de la chambre de combustion et pour diminuer la surface de la paroi d'extrémité amont 38, il peut être nécessaire de réduire cet angle pour maintenir cet écoulement au contact du pot dans toutes les cir- constances La durée de service des éléments compo- sants pourra être augmentée de cette façon au prix d'une augmentation de la surface à refroidir qui né- cessiterait un courant d'air réfrigérant plus impor- tant REVENDICATIONS 1 Chambre de combustion annulaire pour moteur à tur- bine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une partie annulaire définie par des parois annu- laires interne ( 34) et externe ( 36) et par une paroi d'extrémité amont ( 38), lesdites parois in- terne et externe possédant une pluralité d'ouver- tures ( 66, 68, 70, 72) permettant à l'air de pé- nétrer dans ladite partie annulaire ( 32), ladite paroi d'extrémité amont ( 38) possédant une plura- lité d'ouvertures équidistantes ( 54), un pot tron- conique ( 56) à base aval béante étant fixé à la- dite paroi d'extrémité amont ( 38) coaxialement à chacune desdites ouvertures ( 54) de ladite paroi ( 38), l'angle inclus de chaque pot ( 56) se situant dans la gamme de 302 à 900, un injecteur de carbu- rant ( 58) et un générateur de turbulence ( 60) étant placés dans l'extrémité amont de chaque pot ( 56), ledit générateur de turbulence ( 60) étant placé entre l'injecteur de carburant ( 58) et la paroi du pot ( 56), chaque générateur de turbulence ( 60) com- portant une pluralité d'aubes incurvées pouvant dévier un courant d'air d'un angle pouvant attein- dre 652, une partie au moins des ouvertures des- dites parois annulaires interne ( 34) et externe ( 36)étant orientées de façon à diriger un courant d'air sur la face aval de ladite paroi d'extrémité amont ( 38) 2 Chambre de combustion annulaire selon la Revendi- cation 1, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant est constitué par un injecteur à nébuli- sation par air ( 58) comportant un conduit annulai- re de venturi ( 84) se terminant par un orifice de giclage ( 86) pour l'injection d'un mélange d'air et de carburant dans la zone primaire de la cham- bre de combustion 3 Chambre de combustion annulaire selon la Revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'une partie des ou- vertures ( 68) des parois annulaires ( 34, 36) diri- gent un courant d'air sur lesdites parois en direc- tion amont pour renforcer le courant d'air sur la face aval de la paroi d'extrémité amont ( 38) 4 Chambre de combustion annulaire selon la Revendi- cation 1, caractérisée en ce que la paroi d'extré- mité amont ( 38) de la chambre de combustion com- porte un écran thermique annulaire fait d'une plu- ralité de segments contigus ( 102) fixés à ladite paroi ( 38) et percée d'ouvertures circulaires ( 104) correspondant au diamètre de la partie aval des pots tronconiques ( 56) Chambre de combustion annulaire selon la Revendi- cation 4, caractérisée en ce que chaque segment ( 102) constituant l'écran thermique est alimenté en air réfrigérant par un interstice annulaire ( 110) entre le segment ( 102) et le pot correspondant ( 56). 6 Chambre de combustion annulaire selon la Revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'elle est renfermée dans une enveloppe annulaire ( 92) parcourue par un courant d'air, des parois régulatrices ( 94, 96) é- tant disposées entre les parois de ladite enveloppe ( 92) et de la chambre de combustion pour maîtriser la vitesse de l'air s'écoulant entre lesdites pa- rois régulatrices ( 94, 96) et celles de la chambre de combustion ( 34, 36) 7 Chambre de combustion annulaire selon la Revendi- cation 1, caractérisée en ce que l'extrémité amont de ladite chambre est immobilisée par une broche ( 98) portée par chaque injecteur ( 58) et s'enga- geant dans un alésage correspondant ménagé dans une partie de la chambre de combustion située en amont de la paroi d'extrémité amont ( 38) 8 Moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion annulaire selon une quelconque des Re- vendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que l'air alimentant la chambre de combustion, provenant du compresseur haute pression du moteur, parvient à celle-ci par l'intermédiaire d'un dif- -fuseur de décharge ( 52)