Brevet FR2516169A1 — publié le 19830513

La présente invention concerne des injecteurs de carburant pour moteurs à turbines à gaz et elle a trait plus particulièrement à des injecteurs de carburant conçus pour injecter une gamme de carburants gazeux ayant diffé- rents pouvoirs calorifiques dans la ou les chambres de combustion d'un moteur industriel à turbine à gaz. Lorsqu'un tel moteur fonctionne dans la condition de ralenti, le rendement de combustion (n) varie en fonc- tion de la vitesse du gaz à la sortie de l'injecteur de carburant La courbe représentant le rendement de combus- tion (n) en fonction de la vitesse de carburant gazeux (V) comporte un sommet et par conséquent de petites variations de la vitesse de gaz produisent de fortes réductions du rendement de combustion. On a trouvé que, si les vitesses des différents carburants gazeux et de l'air déchargé par le compresseur sont approximativement adaptées à l'entrée de la chambre de combustion, la courbe (n,V) dans la condition de ralenti du moteur ne présente pas un tel sommet et le rendement de combustion est moins sensible à la vitesse du carburant gazeux La vitesse du carburant gazeux dans le conduit de fourniture de carburant varie en relation avec le pouvoir calorifique et la densité du carburant, puisque le moteur doit recevoir la même quantité de chaleur entrante par unité de temps, indépendamment du type de carburant utilisé. En conséquence, le débit pondéral doit varier en fonction du carburant utilisé et, puisque la section du conduit est fixe, la vitesse du gaz doit varier, de sorte que des gaz de pouvoir calorifique élevés ont une faible vitesse de décharge à partir du conduit de fourniture de carburant et que des carburants de pouvoirscalorifiquesfaibles ont une grande vitesse de décharge La vitesse du carburant gazeux peut varier entre approximativement 24 m/s et 300 m/s, tandis que la vitesse de l'air déchargé par le compresseur dans la condition de ralenti du moteur est comprise entre et 180 m/s. Selon la présente invention, il est proposé que les vitesses des différents carburants gazeux et de l'air dé- bité par le compresseur soient égalisées ou approximative- ment adaptées à l'entrée de la ou des chambres de combus- tion du moteur en établissant un échange d'énergie entre les écoulements decarburant et d'air. Cet échange d'énergie peut être établi par mélange du carburant gazeux et de l'air dans un générateur de turbulence placé au centre dans la culasse de chaque chambre de combustion Le générateur de turbulence peut comprendre un certain nombre d'aubes de turbulence et une broche centrale qui délimitent ensemble un certain nombre de passages incurvés de section décroissante dans la direction d'écoulement Ces passages reçoivent de l'air sortant du compresseur du moteur et du carburant gazeux provenant d'un conduit d'alimentation en carburant, dont la sortie est placée dans une position adjacente ou en chevauchement par rapport à l'extrémité d'amont de la broche, de manière que le carburant gazeux pénètre ini- tialement dans les parties radialement intérieures des passages de turbulence, puis se mélange avec l'air prove- nant du compresseur sur le reste de la longueur de chaque passage Un échange d'énergie entre les deux écoulements se produit de manière qu'il se manifeste, en fonction de la différence de vitesse entre les écoulements, une ten- dance à l'augmentation de la vitesse de gaz, une tendance à l'augmentation ou à la réduction de la vitesse de l'air, ou bien une combinaison desdits effets L'effet résultant consiste en ce que, à la sortie des passages de turbulence, qui constituent l'entrée de la chambre de combustion, le gaz et l'air se déplacent à des vitesses semblables et soient mélangés, au moins partiellement. Cet agencement peut également comporter une man- chette destinée à améliorer le profil d'écoulement dans la zone primaire qui est pourvue de parois parallèles et qui s'étend depuis la culasse de la chambre de combustion, en correspondance au diamètre extérieur du générateur de turbulence, sur une courte distance dans la chambre de combustion La manchette peut comporter une ou plusieurs rangées de trous radiaux répartis autour de sa circonfé- rence Ce type de manchette a été décrit et revendiqué dans le brevet du Royaume Uni No 1 595 224, déposé par la Demanderesse et qui correspond à la demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique sous le No 123 260. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, et sur les dessins annexés dans lesquels:- la Fig 1 représente un groupe de propulsion à moteur à turbine à gaz comportant un ou plusieurs injecteurs de carburant, conformément à la présente invention; la Fig 2 représente de façon plus détaillée un des injecteurs de carburant de la Fig 1; la Fig 3 est une vue faite dans la direction de la flèche "A" de la Fig 2; la Fig 4 est une vue en élévation latérale détaillée d'une partie de l'ensemble à générateur de turbulence et à broche de l'injecteur de carburant représenté sur la Fig 2; la Fig 5 est une représentation graphique donnant le rendement de combustion (n) en fonction de la vitesse du carburant gazeux (V) à la sortie de l'injecteur de carburant dans des conditions de ralenti du moteur et sans Utilisation d'un injecteur de carburant conforme à la présente invention; la Fig 6 est une représentation graphique donnant n en fonction de V pour une chambre de combustion, dans des conditions de ralenti du moteur et lors de l'utilisation d'un injecteur de carburant conforme à la présente inven- tion. En référence aux figures, un groupe de propulsion à moteur à turbine à gaz comprend un compresseur 12, alimentant en air comprimé un certain nombre de chambres de combustion 14 réparties circonférentiellement, une turbine d'entraînement de compresseur entraînée par les gaz de combustion provenant des chambres 14 et une turbine de propulsion-18 assurant l'entraînement d'une charge 20, la turbine de propulsion étant entraînée par l'énergie résiduelle contenue dans les gaz d'échappement - sortant de la turbine 16. Le carburant d'alimentation du groupe 10 comprend une gamme de carburants gazeux ayant différents pouvoirs calorifiques et chaque chambre de combustion 14 comporte un injecteur de carburant gazeux 22 En considérant plus particulièrement les Fig 2, 3 et 4, on voit que chaque injecteur de carburant 22 comprend un conduit d'alimenta- tion en carburant gazeux 24 et un ensemble formé d'un générateur de turbulence et d'une broche 26, qui est fixé pour des raisons pratiques dans une ouverture centrale 28 de la culasse 30 de la chambre de combustion L'ensemble 26 pourrait être fixé sur le conduit 24 mais un tel agen- cement nécessiterait de prévoir des ouvertures excessi- vement grandes dans le carter du moteur et, en outre, le positionnement précis par rapport à la combustion serait difficile. L'ensemble 26 comprend un ensemble d'aubes incurvées 32 espacées de distance égale et s'étendant entre un carter extérieur ou manchon 34 et un moyeu ou broche centrale 36. Les aubes sont incurvées d'un angle d'environ 30,l bien qu'on puisse utiliser d'autres angles en fonction du degré de turbulence nécessaire, et le manchon 34 constitue un prolongement de la partie centrale de la culasse. En variante, le manchon peut constituer une pièce séparée de la culasse et il peut être fixé sur celle-ci par tout moyen approprié, par exemple par brasage - Les aubes 32, lé manchon 34 et la broche 36 défi- nissent un certain nombre de passages 38 ayant une sec- tion droite qui diminue dans la direction d'écoulement, indiquée par la flèche B, et qui provoque, à cause de la courbure des aubes 32, une variation de la direction d'écoulement. La sortie 40 du conduit d'alimentation 24 est coaxiale à l'ensemble 26 et l'extrémité de ladite sortie est placée dans des fentes 42 ménagées dans les extrémités, situées radialement en amont, de chacune des aubes 32, de sorte que l'extrémité de la sortie 40 chevauche l'ex- trémité d'amont de la broche 36. Le groupe 10 est agencé pour fonctionner avec une gamme de carburants gazeux ayant différents pouvoirs ca- lorifiques et densités Pour que la chaleur entrant par unité de temps soit maintenue à une valeur constante pour n'importe quelle condition particulière du moteur, les débits pondéraux des différents carburants gazeux passant dans le conduit 24 sont modifiés, de même que par conséquent les vitesses dans la sortie, pour les différents carburants La variation de vitesse est géné- ralement comprise entre environ 24 m/s et 300 m/s, les carburants de grand pouvoir calorifique s'écoulant à des vitesses inférieures, tandis que les carburants de faible pouvoir calorifique s'écoulent aux vitesses supérieures. La vitesse de l'air fourni par le compresseur 12 à l'en- trée de l'ensemble 26 est de l'ordre de 120 à 180 m/s dans la condition de ralenti du moteur. La Fig 5 représente une courbe typique donnant n en fonction de V; cette courbe montre que, si V n'est mas placé dans une position proche du point B et est situé dans la zone des points A ou C, le rendement de combustion est faible Pour atteindre le rendement optimal, la sec- tion de sortie de l'injecteur de gaz doit être modifiée en adaptation aux valeurs correspondantes du pouvoir calorifique et de la densité du gaz. Dans l'agencement considéré, les vitesses du carbu- rant gazeux et de l'air sortant du compresseur sont adaptées ou étroitement adaptées dans ou immédiatement à côté de l'extrémité d'aval de l'ensemble 26 formé par le générateur de turbulence et la broche En référence à la Fig 2, le carburant gazeux, qui a une vitesse comprise entre environ 24 et 300 m/s en fonction de son pouvoir calorifique et de sa densité, sort de l'orifice de sortie 40 et pénètre dans la partie radialement intérieure de l'extrémité d'amont de chaque passage 38, tandis que l'air sortant du compresseur pénètre dans la partie radialement extérieure de l'extrémité d'amont de chaque passage 38 à une vitesse comprise entre 120 et 180 m/s. Le carburant gazeux a tendance à rejoindre l'écoule- ment d'air dans chaque passage et il se manifeste, dans l'écoulement progressant dans chaque passage, une tendance générale à l'augmentation de la vitesse à cause de la diminution de section de chaque passage Il se produit également un échange d'énergie entre le carburant et l'air de sorte que, en fonction de la différence de vitesse initiale, la vitesse du carburant augmente, la vitesse de l'air augmente, la vitesse de l'air augmente ou diminue, ou bien il se produit une combinaison desdits effets. En utilisant un injecteur de carburant du type défini ci-dessus, on a trouvé que la courbe donnant N en fonction de V dans la condition de ralenti du moteur ne présente pas un sommet comme indiqué sur la Figure 5 et est bien plus aplati, comme le montre typiquement la Fig 6. Cette caractéristique, qui existe pour une large gamme de carburants gazeux allant d'un gaz dérivé du charbon, d'un pouvoir calorifique de 890 Cal/m 3, jusqu'au propane, d'un pouvoir calorifique de 20 610 Cal/m 3, signifie que des rendements de combustion acceptables sont plus aisé- ment obtenus à partir d'un seul standard de conception. Une manchette 44, comportant ou non une ou plusieurs rangées de trous 46, peut être incorporée au générateur de turbulence 26 afin d'améliorer le profil d'écoulement dans la zone primaire Une telle manchette a été décrite et revendiquée dans le brevet du Royaume Uni No 1 595 224 déposé par la Demanderesse et correspondant à la demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique sous le No. 123 260. REVENDICATIONS 1. Injecteur de carburant gazeux pour un groupe de propulsion à moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'alimentation en carburant gazeux ( 24) agencé pour décharger du carburant gazeux dans un ensemble générateur de turbulence ( 26) agencé de manière à recevoir un écoulement d'air comprimé provenant du compresseur ( 12) du groupe ( 10), en ce que l'ensemble générateur de turbulence ( 26) comprend plusieurs aubes de turbulence ( 32) qui sont placées entre un carter extérieur ( 34) et un moyeu intérieur ( 36), les aubes, le moyeu et le carter définissant plusieurs passages ( 38) dont la section diminue dans la direction d'écoulement (B), le carburant gazeux étant injecté dans les parties d'amont, radialement intérieures, desdits passages, tandis que l'air comprimé pénètre dans les parties d'amont, radialement extérieures, desdits passages ( 38). 2. Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter extérieur comprend une manchette à parois parallèles ( 44) et en ce que le moyeu comprend une broche ( 36) qui augmente de section vers l'aval, en se terminant par une base renflée. 3. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie ( 40) du conduit d'alimentation en carburant gazeux ( 24) est située dans un certain nombre de fentes ( 42), lesdites fentes étant formées sur les bords d'amont des aubes ( 32) du générateur de turbulence. 4. Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de générateur de turbu- lence ( 26) fait partie intégrante de, ou est fixé sur la ou les chambres de combustion ( 14) du groupe ( 10) et en ce que le conduit d'alimentation en carburant gazeux ( 24) est monté indépendamment de l'ensemble générateur de turbulence ( 26). 5. Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une manchette à parois 1 parallèles ( 44) s'étendant à partir de l'extrémité d'aval de la périphérie extérieure de l'ensemble générateur de turbulence ( 26) de manière que, en service, la manchette pénètre dans la zone primaire d'une chambre de combustion du groupe ( 10).