Brevet FR2525692A1 — publié le 19831028

INJECTEUR DE CARBURANT POUR MOTEURS A TURBINE A GAZ La présente invention se rapporte à des injecteurs de carburant pour moteurs à turbine à gaz et c'est un développe- ment du type de l'injecteur de carburant qui est décrit dans la demande de brevet britannique N O 1427146. Dans cette description est indiqué un injecteur de carburant ayant une gaine centrale recevant des écoulements de carburant et d'air, un organe déflecteur placé adjacent à l'extrémité de la gaine située en aval, qui, avec l'extrémité de la gaine, forme une sortie annulaire dirigée radialement pour le mélange de carburant et d'air, du tube, et un capot entourant la gaine centrale formant une gaine annulaire externe dans laquelle l'air s'écoule et est évacué de la gaine centrale, en amont de la sortie annulaire Ce type d'injecteur de carburant, avec la chambre de combustion dans laquelle il est placé, est destiné à produire deux tour- billons adjacents toroidaux et de directions opposées, dont celui situé le plus en amont doit être riche en carburant et celui situé le plus en aval doit être pauvre en carburant. Afin de diminuer les émissions de N Ox, les rapports de l'air au carburant doivent être de l'ordre de 8/1 dans le tour- billon en amont et de 25/1 dans le tourbillon en aval. On a trouvé dans la pratique que les rapports air- carburant dans les deux tourbillons n'étaient pas toujours tels que requis Le tourbillon en amont a tendance à être moins riche en carburant et le tourbillon en aval a tendance à être moins pauvre en carburant, ce qui indique une migra- tion du carburant entre les tourbillons ou une distribution disproportionnée du carburant de l'injecteur dans les tour- billons. L'agencement montré dans le brevet britannique no 1427146 avait pour but que tout le carburant de l'injecteur s'écoule dans le tourbillon en amont, le tourbillon en aval recevant tout carburant non brûlé et/ou partiellement brûlé provenant du tourbillon en amont On considère maintenant qu'une partie du carburant de l'injecteur de carburant destiné à la partie en amont, s'écoule directement dans le tourbillon en aval, affaiblissant ainsi le mélange dans le tourbillon en amont et enrichissant le mélange dans le tourbillon en aval Une telle mauvaise distribution a des effets néfastes sur les émissions de N Ox, l'efficacité de combustion *et le faible rapport de l'air d'extinction au carburant La présente invention a pour but de procurer une forme perfectionnée du type d'injecteur de carburant indiqué dans le brevet britannique N O 1427146 o les rapports de l'air au carburant dans les deux tourbillons peuvent être contrôlés plus précisément. De même, l'organe déflecteur à l'extrémité de la gaine centrale s'est révélé avoir une forme inutilement complexe et coûteuse Ainsi, la présente invention recherche une forme plus simple et moins coûteuse d'organe déflecteur. En conséquence, la présente invention concerne un injecteur de carburant pour moteur à turbine à gaz agencé pour injecter de l'air et du carburant dans une chambre de combustion, comprenant une gaine centrale ayant des extré- mités ouvertes en amont et en aval, un organe déflecteur placé adjacent à l'extrémité de la gaine centrale située en aval, l'organe déflecteur et ladite extrémité en aval formant ensemble une sortie annulaire dirigée vers l'extérieur, et un organe formant capot entourant au moins partie Llement la gaine centrale pour former une gaine annulaire, la gaine centrale et la gaine annulaire étant agencées pour recevoir un écoulement d'air du compresseur d'air ou -st placé l'injecteur de carburant, la gaine centrale étant également agencée pour recevoir un écoulement de carburant d'une tuyère de carburant, la sortie annulaire dirigée vers l'extérieur convergeant tout autour de sa circonférence et se terminant dans une ouverture d'évacuation dirigée à la fois vers l'extérieur et vers l'amont pour injecter sensiblement la totalité du mélange air/carburant sortant de l'ouverture d'évacuation dans un tourbillon toroldal en amcen dans la chambre de combustion, un second tourbillon toro Idal en aval étant également formé dans la chambre de combustion à proxi- mité du tourbillon en amont et dans un sens opposé a celui- ci. 3 2525692 L'injection de carburant peut également avoir une lèvre à l'extrémité de la gaine centrale située en aval, avec laquelle l'organe déflecteur définit l'ouverture d'évacua- tion et qui sert également à dévier l'air de la gaine annu- laire au loin du mélange air/carburant quittant l'ouverture d'évacuation. La gaine centrale peut également avoir un anneau d'étranglement à son extrémité en amont pour réduire le moment du mélange air/carburant dans la gaine centrale. Quand l'injecteur de carburant est placé dans une chambre de combustion, la chambre de combustion a de préfé- rence une entrée dans la paroi pour former un écoulement d'air dans les tourbillons en amont et en aval et l'ouverture d'évacuation du carburant est dirigée vers un point en amont de l'entrée d'air, dans le tourbillon situé en amont. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une illustration de l'injecteur de carburant et de la chambre de combustion montrés dans le brevet britannique ci-dessus mentionné; La figure 2 est une vue détaillée d'une partie de la gaine centrale et de l'organe déflecteur de l'injecteur de carburant montrés sur la figure 1; La figure 3 est une illustration schématique d'un moteur à turbine à gaz o est incorporée une forme d'un injecteur de carburant selon la présente invention; La figure 4 est une vue en élévation, à échelle agrandie, d'une partie de la chambre de combustion, et de l'injecteur de carburant de la figure 1 selon la présente invention; La figure 5 est une vue en élévation de l'injecteur de carburant de la figure 4, à échelle agrandie; et La figure 6 est une vue détaillée d'une bague d'entrée d'air de la chambre de combustion de la figure 4. En se référant aux figures 1 et 2, un injecteur de 4 2525692 carburant 10 a une gaine centrale 12 agencée pour recevoir du carburant d'une tuyère 14 et l'air du compresseur du moteur, un organe déflecteur 16 et un capot externe 18 avec lequel la gaine centrale forme un passage annulaire d'air 20 L'extré- mité de la gaine centrale située en aval, avec l'organe déflecteur 16, forme une sortie 22 dirigée radialement pour le mélange air/carburant, vers une chambre de combustion 24 dans laquelle se trouve l'injecteur de carburant. Un mélange air/carburant sort radialement pour créer un tourbillon toroidal 26 en amont qui est allumé par ai. allumeur (non représenté) et le mélange air/carburant combus- tion est entraîné dans un tourbillon 28 en aval qui est généré en partie par l'écoulement de l'injecteur 16 et ern partie par l'air de di qui entre dans la chambre de combustion par des ouvertures 30. Comme on peu: le;oir en plus de détail sur la figure 2, l'extrémité - a ga L 12 située en aval a uine lèvre 32 dirigée vers '" grie 7 pour forcer tou Lè go Velette de r.*burar F sur >Y o ' a aine à re ' née dans coul À ':t, _ fia ja L'o n-i"v::ctaer 16 a Muae 'i: l? % -: fs 12 _fs l amh c've(: la surface u r- mient cc%v-,e dau L e e: carbura e, étendu radi est réduite et- t est tours, Icrt l'Pxté,et nasse vers ané D ''e -3 nru- laire convergente 36 avaié: H-tre encore tour e-er par = L ' B nte 36: section? i en su ic A et B Ell d'un to:u r L l'-cc > -d'une converg e 1 e vers l'ouverture annulaiúa 22 d'o le mélange la/-carburant est émis dans une direction sensiblement radialement par rapport à la ?irection d'avant en arrière du moteur et de l'injecteur de carburant Les parties externes de l'organe déflecteur 16 sont configurées de façon à donner au mélange qui fait impact sur elles, une composante d'écoulement sensi- blement en amont et radialement vers l'extérieur qui, avec le moment vers l'aval de l'écoulement restant, c'est-à-dire, de la gaine annulaire 20, force l'écoulement à la sortie 22 à être sensiblement radial. L'ouverture 22 est définie par une lèvre 38 sur la gaine 12 et c'est une ouverture annulaire dont le plan se trouve sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du moteur La disposition de la sortie 22 aide à garantir que l'écoulement émanera radialement de l'injecteur de carbu- rant, vers l'extérieur. On peut noter qu'un effort considérable est imposé sur l'agencement de la sortie 22, le passage convergent relative- ment complexe conduisant jusqu'à la sortie et la nécessité que le mélange air/carburant sorte en direction purement radiale L'expérience a montré que l'agencement montré sur les figures 1 et 2 n'offre pas des conditions totalement satisfaisantes pour la combustion En particulier, les rapports air/carburant dans les deux tourbillons peuvent devenir, de façon non souhaitable, moins riche en carburant et moins pauvre en carburant, respectivement dans les tour- billons en amont et en aval De même, la surface interne de l'organe déflecteur 16 et l'extrémité de la gaine centrale 12 qui définissent la forme du passage de sortie sont inutile- ment difficiles et coûteuses à produire. En se référant aux figures 3, 4, 5 et 6 o des compo- sants correspondants ont reçu des chiffres de référence iden- tiques à ceux des figures 1 et 2, à l'exception du préfixe 1, un injecteur de carburant 110 est placé dans une chambre de combustion 124 d'un moteur à turbine à gaz 100. L'injecteur de carburant a une gaine centrale 112, une tuyère 114, un organe déflecteur 116, un capot externe 118 et une gaine annulaire 120 Afin d'améliorer la fabrication de l'organe de déflecteur 116 en comparaison à l'organe déflecteur 16 qui était coûteux et difficile, non seulement sans nuire à sa performance mais également en améliorant sa performance, l'organe déflecteur 116 est largement formé d'un certain nombre de surfaces plates se confondant à leurs jonc- tions En particulier, la forme du passage convergent condui- sant à l'ouverture 122 est formée de deux surfaces circu- laires et plates 122 a et 122 b qui sont à un angle obtu l'une par rapport à l'autre, et qui se confondent à leur jonction. De même, la surface externe de l'organe déflecteur se compose de surfaces plates 122 c et 112 d, toutes étant faites pour la facilité de la fabrication A son extrémité en aval, la gaine centrale a une lèvre 140 avec laquelle l'organe déflecteur 116 forme une ouverture d'évacuation 122 qui fait face vers l'extérieur en direction vers l'amont La lèvre 140 sert éga- lement à dévier l'air de la gaine annulaire 120 au loin du mélange air/carburant quittant l'ouverture 122, et dans un tourbillon 126 situé en amont. Un anneau d'étranglement 142 est placé à l'extrémité de la gaine centrale en amont pour réduire le moment du mélange air/carburant qui s'écoule à travers la gaine cen- trale, ce qui aide à encourager sensiblement tout le mélange air/carburant et en particulier le composant de carburant à s'écouler directement dans le tourbillon 126 en amont La paroi de la chambre de combustion 124 a une entrée d'air 130 qui correspond à l'entrée 30 mais dont la forme est diffé- rente, comme on peut le voir de façon plus détaillée sur la figure 6 L'entrée d'air 130 a la forme d'une bague de refroidissement et a une série d'ouvertures 130 ' tournées vers l'amont, et un groupe d'ouvertures 130 b tour nés vers l'aval Une série d'ouvertures centrales 130 c peut également être prévue pour permettre à un écoulement d'air de refroidir la partie de la bague faisant le plus saillie ve J l'inté- rieur L'agencement de l'injecteur de carburant 11 l' et de la chambre de combustion 134 présente une caractéristique impor- tante qui est la disposition de l'ouverture d'évacuation 122 et de l'entrée d'air 130 Afin que l'agencement fonctionne correctement, l'ouverture d'évacuation de l'injecteur de carburant doit être dirigée vers un point situé en amont des ouvertures 130 a de l'entrée d'air En utilisation l'injec- teur de carburant et la chambre de combustion reçoivent un écoulement d'air du compresseur du moteur 100, l'injecteur de carburant recevant également du carburant de la t:vère 114. Un mélange air/carburant est déchargé à travers 1 'ouverture 122 en direction vers l'extérieur en amont dans un tourbillon en amont 126 Sensiblement la totalité du mélanges air/carburant, en particulier le composant de carburant, passe directement dans ce tourbillon, donc le carburant dans le tourbillon 128 en aval est reçu soit sous une forme non brûlée ou partiellement brûlée, en provenant du tourbillon en amont Le tourbillon en amont reçoit également de l'air de la gaine annulaire 120 et des entrées 130 a qui aident à entre- tenir le tourbillon La lèvre 132 agit comme un déflecteur pour l'air quittant la gaine annulaire 120 stabilisant cet écoulement, l'encourageant à entrer dans le tourbillon en amont et empêchant l'écoulement de faire impact sur le mélange air/carburant de l'ouverture 122 sur une étendue néfaste quelconque L'anneau d'étranglement 134 réduit le moment du mélange air/carburant dans la gaine centrale donc un moment purement radial du mélange quittant l'ouverture est réduit ce qui encourage sensiblement tout le mélange air/carburant à entrer dans le tourbillon 126 en amont Cet agencement permet deux recirculations axialement disposées dans un sens opposé, o le rapport air/carburant dans le tourbillon en amont est riche en carburant à une valeur d'environ 8/1 et le rapport air/carburant dans le tourbillon en aval est pauvre en carburant à une valeur d'environ 25/1. L'agencement a pour effet de réduire les émissions de N Ox d'un facteur de 1/3 à un rapport total de l'air au carburant de 55/1, en comparaison à l'agencement indiqué dans le brevet britannique N O 1427146 De même, l'efficacité de combustion au ralenti est améliorée de 6 % et le rapport pauvre d'air d'extinction au carburant est accru d'un facteur de 3. On pense qu'une majorité de l'amélioration provient le la remise en forme de l'organe déflecteur, tandis que l'amé- lioration restante est plus ou moins régulièrement divisée entre la lèvre 140 et l'anneau d'étranglement 142. '5692 REVENDICATIONS 1 Injecteur de carburant pour moteur à turbine à gaz agencé pour injecter de l'air et du carburant dans une chambre de combustion caractérisé en ce qu'il comprend une gaine centrale ( 112) ayant des extrémités ouvertes en amont et en aval, un organe déflecteur ( 116) placé adjacent à l'extrémité de la gaine centrale située en aval, l'organe déflecteur et ladite extrémité en aval formant ensemble une sortie annulaire dirigée vers l'extérieur, et un organe formant capot ( 118) entourant au moins partiellement la gaint centrale pour former une gaine annulaire ( 120), la gaine centrale et la gaine annulaire étant agencées pour recevoir un écoulement d'air du compresseur du moteur o l'injecteur de carburant est placeé la gaine centrale étant également agencée pour recevoir un écoulement de carburant d'une tuyèrce de carburant, la sorrtie annulaire dirigée vers l'extérieur convergeant tó; tour de sa circonférence et se terminant dans une ouvert-lirr d'é-: uation ( 122) dirigée a la fois à l'extérieur et - rs l' pour injecter sen Yhlement la italir U -' -ne li buia sortant de ouverture évaci, 1 d ' oldal en am''126) dans ta chai-,A aval é 12 t itjt égale;r:: -as la -h- ' S ion, à y oxirz:' t -' Y: ltcr in amont et d'ln 7 ens eose à celui-cl- 2 Injecteur de c burant selon la revu: ?*r l, caract-r r; I 'étendaxt rieur es Crû à l'ex -é e la gaine cent g et l'extr-mi: le l'or dé' ecteur définisses loui - ture d'évacuation, la lèîre servant également, 'i er l'air sortant de la caine annulaire. 3 Inocteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la g-aine centrale a un restricteur de l'écoulement ( 142) placé adjacent à son extrémité en amont pour réduire le moment du mélange air/carburant dans la gaine centrale. 4 Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face de l'organe déflecteur sur 9 2525692 laquelle fait impact le mélange air/carburant provenant de la gaine centrale, comprend au moins deux surfaces plates ( 122 a, 122 b, 122 c, 122 d) inclinées à un angle de plus de 900 à l'une par rapport à l'autre, et qui se confondent à leur jonction.