Brevet FR2536465A1 — publié le 19840525

L'invention concerne une buse à combustible, spécialement du type à deux combustibles, destinée à ser- vir dans les moteurs à turbine à gaz et autres installa- tions motrices du type à turbine. Les buses à deux combustibles sont connues pour l'utilisation dans les moteurs à turbine à gaz, par exem- ple pour diminuer la fumée en injectant de l'eau en même temps que le combustible, pour minimiser la formation de carbone et l'accumulation de celui-ci sur la buse, pour inhiber la formation d'oxydes d'azote pendant le processus de combustion et pour augmenter la poussée. Le brevet US 4 290 558 décrit un ensemble de buse à combustible pour turbine à gaz et de support capa- ble de fonctionner dans un mode d'injection combustible/ eau pour diminuer la fumée On injecte de l'eau, depuis un passage prévu dans le support de buse, dans un espace entre le support et l'écran thermique derrière la buse et elle passe par de multiples passages qui vont-de l'exté- rieur de la buse à une chambre annulaire intérieure Dans la buse, l'eau est soumise à une action de centrifugation dans la chambre annulaire pour se décharger finalement autour de l'extérieur du cône de pulvérisation de combus- tible qui sort des orifices primaires et secondaires à combustible. Le brevet US 4 311 277 décrit un ensemble de buse à combustible et de support destiné à servir avec des pa- les extérieures de tourbillonnement d'air dans un tube à flamme L'ensemble comprend des passages et orifices d'amenée de combustible gazeux situés à l'extérieur des passages et orifices à combustible liquide et pouvant fonctionner dans un mode quand on arrête l'amenée de com- bustible liquide Dans un autre mode, on interrompt l'ame- née de combustible gazeux quand le combustible liquide est amené à la buse. Des buses à combustible à air soufflé ou à deux orifices, dites pilotées, pour moteurs à turbine à gaz sont décrites dans les brevets US 3 684 186 et 4 139 157 Ces types de buses à combustible ne sont pas conçus pour uti- liser deux combustibles, mais comportent un système pri- maire d'amenée de combustible assurant un faible débit de combustible pour le démarrage du moteur et à haute altitude, et un système secondaire d'amenée de combus- tible permettant de grands débits de combustible pour une grande puissance du moteur Pendant que la puissance du moteur est grande, le débit primaire de combustible peut être maintenu au niveau de démarrage, ramené à un niveau inférieur ou éventuellement coupé En fait, on a utilisé des buses à combustible à air soufflé comportant seule- ment un système secondaire de combustible, mais pouvant cependant fonctionner dans la plupart des conditions de puissance du moteur et elles sont représentées par exem- ple à la fig 2 du brevet US 3 684 186 déjà cité et dans le brevet US 3 980 233. D'autres structures d'ensemble de buse à com- bustible et de support destinées à servir dans les mo- teurs-â turbine à gaz sont décrites dans les brevets US 2 701 164, 3 520 480, 3 638 865, 3 662 959, 3 662 960 et 3 675 853. Un but de l'invention est de créer un ensemble d'injecteur de combustible à air soufflé qui soit utile dans les moteurs à turbine à gaz et qui soit capable de fonctionner avec deux combustibles, avec changement de combustible ou avec injection de combustible et d'eau. Un autre but de l'invention est de munir un tel ensemble d'injecteur de combustible de moyens permettant de fonctionner dans ces modes et qui ne gênent pas le fonctionnement normal de l'injecteur de combustible sur une seule source de combustible liquide. Un autre but de l'invention est encore de créer un tel ensemble d'injecteur de combustible qui, dans un mode de fonctionnement, puisse utiliser un combustible auxiliaire liquide ou gazeux en plus ou à la place du combustible liquide normal, la possibilité d'utilisation du combustible gazeux étant spécialement utile pour le démarrage du moteur. Un autre but de l'invention est de créer un tel ensemble d'injecteur de combustible servant à augmenter la poussée et à diminuer les émissions et qui soit de structure simple. Dans un mode d'exécution concret typique de l'invention, l'ensemble d'injecteur de combustible à air soufflé comprend une enveloppe annulaire et plusieurs manchons disposés l'un dans l'autre avec espacement pour former une chambre réceptrice de combustible liquide, une chambre réceptrice d'eau ou de combustible auxiliaire à l'intérieur de la chambre réceptrice de combustible li- quide et une chambre intérieure réceptrice d'air servant à recevoir de l'air de refoulement d'un compresseur et à le diriger depuis l'intérieur dans le cône de pulvérisa- tion de combustible et/ou dans l'eau ou le combustible auxiliaire, en vue de les atomiser ou d'y mélanger l'air. L'enveloppe forme, avec l'un des manchons, une chambre extérieure réceptrice d'air disposée à l'extérieur de manière à recevoir une autre quantité d'air de refoule- ment du compresseur et à la diriger depuis l'extérieur dans le cône de pulvérisation de combustible et/ou dans l'eau ou le combustible auxiliaire, en vue de les atomi- ser ou d'y-mélanger l'air. Dans des modes d'exécution préférentiels, un premier, un deuxième et un troisième manchons sont pré- vus, le deuxième manchon étant à l'intérieur du premier et le troisième manchon à l'intérieur du deuxième, avec un espace, chaque manchon présentant une extrémité aval munie d'une lèvre annulaire disposée en amont du manchon qui l'entoure Le premier et le deuxième manchons for- ment la chambre réceptrice de combustible liquide de la- quelle du combustible liquide est déchargé à l'extrémité aval en passant par la lèvre annulaire du premier man- chon Les deuxième et troisième manchons forment la cham- bre réceptrice d'eau ou de combustible auxiliaire de la- quelle de l'eau ou du combustible auxiliaire sont déchar- gés en passant par la lèvre annulaire du deuxième manchon. Le troisième manchon forme la chambre intérieure récep- trice d'air tandis que l'enveloppe est disposée à l'ex- térieur, autour du premier manchon, pour former la cham- bre extérieure réceptrice d'air. Dans un mode d'exécution particulièrement préfé- rentiel, les extrémités amont des deuxième et troisième manchons s'étendent vers l'amont au-delà de l'extrémité amont du premier manchon et comprennent des parties for- mant des moyens d'amenée qui communiquent avec la cham- bre réceptrice d'eau ou de combustible auxiliaire de ma- nière à amener de l'eau ou du combustible auxiliaire à celle-ci. De préférence, les moyens d'amenée comprennent une ouverture traversant le deuxième manchon et un épau- lement adjacent prévu sur des parties du troisième man- chon, un tube d'amenée d'eau ou de combustible auxiliaire passant à travers l'ouverture, s'appuyant sur l'épaulement et étant de préférence brasé ou fixé métallurgiquement d'une autre manière au deuxième manchon. Dans un mode d'exécution plus spécialement pré- férentiel, le premier manchon comprend un tube d'amenée de combustible liquide adjacent au tube d'amenée d'eau ou de combustible auxiliaire, là o le tube entre dans l'in- jecteur de combustible. L'ensemble d'injecteur de combustible de l'in- vention est avantageux en ce sens que l'on peut injecter soit de l'eau, soit du combustible auxiliaire liquide ou gazeux à travers les mêmes moyens d'amenée, en plus ou à la place du combustible liquide normal dans d'autres mo- yens d'amenée, afin d'augmenter la poussée, de diminuer les émissions ou pour le démarrage du moteur, selon les besoins,et que la disposition des moyens d'amenée d'eau ou de combustible auxiliaire ne gêne pas le fonctionne- ment normal de l'injecteur de combustible avec le combus- tible liquide. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'inven- tion est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La figure unique est une coupe suivant l'axe longitudinal de l'ensemble d'injecteur de combustible de l'invention. On se réfère à la figure; l'ensemble d'injec- teur de combustible de l'invention est désigné dans son ensemble par 10 et est monté dans une chambre de combus- tion de moteur à turbine à gaz, indiquée partiellement en 12, de la façon habituelle à cette technique L'en- semble d'injecteur de combustible 10 est du type à air soufflé utilisant un courant d'air de refoulement de com- presseur, A, qui s'écoule du compresseur amont vers la chambre de combustion aval 12, comme l'indiquent les flè- ches et ainsi qu'il est bien connu dans la technique, par exemple comme représenté à la fig 1 du brevet US 3980233. L'ensemble d'injecteur de combustible tel qu'il est représenté comprend un support 20 présentant un pas- sage d'amenée de combustible liquide 22 qui constitue le combustible normal ou primaire du moteur à turbine à gaz. Une partie de manchon 24 part du support et est brasée, soudée ou fixée métallurgiquement d'une autre manière, en , à une autre partie de manchon 26 de sorte qu'ensemble les parties de manchon 24, 26 forment un premier manchon présentant une extrémité amont 28 et une extrémité aval munie d'une première lèvre annulaire 30 et,entre ces ex- trémités, un conduit longitudinal, comme représenté. A l'intérieur du premier manchon 24, 26 est dis- posé un deuxième manchon 32 présentant une extrémité amont 34 et une extrémité aval munie d'une deuxième lèvre annu- laire 36 située en amont ou axialement à l'intérieur à partir de la première lèvre annulaire 30, un conduit lon- gitudinal étant ménagé entre les extrémités comme repré- senté Il est évident que le deuxième manchon 32 présente des parties espacées du premier manchon 24, 26 de manière à définir entre eux une chambre réceptrice de combustible liquide 38, généralement annulaire En particulier, la chambre réceptrice de combustible liquide comprend une chambre annulaire de collecteur 40 communiquant avec le passage d'amenée de combustible liquide 22 Le deuxième manchon comprend un collier annulaire 35 logé dans un évi- dement annulaire approprié du premier manchon 24, 26 et formant des orifices à combustible 37 espacés circonfé- rentiellement, entre la chambre de collecteur 40 et la chambre tronconique 41, les orifices 37 faisant un angle avec l'axe longitudinal de l'ensemble de manière à déchar- ger le combustible avec un mouvement tourbillonnant dans la chambre 41, la chambre annulaire 44 et la chambre tron- conique 46, entre les manchons 24, 26 et 32 Bien entendu, le combustible liquide dépasse la première lèvre annulaire pour former un cône de pulvérisation de combustible qui se décharge dans la chambre de combustion Les orifices à combustible 37 sont de grandeur prédéterminée de sorte que le combustible s'écoule à certains débits selon la pression, de manière à suivre une courbe d'écoulement dé- sirée Le deuxième manchon 32 est fixé au premier man- chon 24, 26 par brasage ou soudage en 42 et 44, le brasage en 44 sur le rebord évasé 32 E du deuxième manchon fermant l'extrémité amont du premier manchon pour former la cham- bre de collecteur de combustible 40. Il est évident que le premier manchon 24, 26 et le deuxième manchon 32 présentent des parties tubulaires cylindriques 24 A, 32 A, des parties tronconiques 26 B, 32 B, des parties tubulaires cylindriques 26 C, 32 C, des parties tronconiques 26 C, 32 C se correspondant généralement le long de l'axe longitudinal de l'ensemble d'injecteur de combustible pour former les chambres désirées destinées à l'écoulement du combustible liquide En particulier, la partie tronconique forme une chambre de tourbillonnement de combustible liquide destinée à servir avec la chambre de collecteur et les orifices à combustible. Le troisième manchon 50 est représenté disposé avec un espace à l'intérieur du deuxième manchon 32 Le troisième manchon présente une extrémité amont ouverte 52 et une extrémité aval munie d'une troisième lèvre an- nulaire 54 située plus en amont ou plus à l'intérieur - axialement que la deuxième lèvre annulaire 36, un con- duit longitudinal étant prévu entre les extrémités Le troisième manchon comprend à son extrémité amont un re- bord annulaire évasé 50 E, brasé en 58 à l'extrémité cy- lindrique amont du deuxième manchon 32 Le troisième manchon 50 comprend une partie tubulaire cylindrique 50 A qui rejoint la partie tronconique 50 B La partie tron- conique 50 B rejoint une autre partie tubulaire cylindri- que 50 C suivie d'une partie tronconique 50 D et correspond, par son emplacement général à des parties similaires du deuxième manchon 32, sur la longueur de l'ensemble d'in- jecteur de combustible. Il est évident que les extrémités amont 34, 52 des deuxième et troisième manchons 32, 50 s'étendent vers l'amont au-delà de l'extrémité amont 28 du premier manchon. Tel qu'on l'a représentée, l'extrémité amont 34 du deu- xième manchon 32 est munie d'un trou circulaire 39 conçu pour recevoir un tube d'amenée 60 reliée àune source (non représentée) d'eau ou de combustible auxiliaire qui peut être liquide ou gazeux selon ce qu'exige la situation Tel qu'il est représenté, le rebord 50 E du troisième manchon comprend un épaulement circonférentiel 50 G sur lequel s'appuie une partie de l'extrémité du tube d'amenée 60. Le tube d'amenée 60 est fixé à l'ensemble d'injecteur de combustible par brasage, soudage ouautre mode de fixation métallurgique fixant le tube en 62 au deuxième manchon et en 64 au deuxième manchon et à la partie adjacente du pre- mier manchon 24. Il est évident que l'on peut amener de l'eau ou du combustible auxiliaire, lorsqu'on le désire, par le tube d'amenée 60, à la chambre 65 qui comprend une chambre ini- tiale de collecteur 66 L'eau ou le combustible auxiliai- re s'écoule à travers la chambre 65 entre le deuxième man- chon 32 et le troisième manchon 50, par exemple de la cham- bre de collecteur 66 à la chambre tubulaire cylindrique 70 munie d'aubes de tourillonnement 71, puis à la chambre tron- conique 72, puis à la chambre tubulaire cylindrique 74 et finalement à la chambre tronconique 76, en passant par la deuxième lèvre annulaire 36 L'eau ou le combustible auxi-. liaire peut s'écouler au-delà de la lèvre 36 et arriver,par l'intérieur, dans le cône de pulvérisation de combustible sortant de la lèvre 30) Le combustible auxiliaire peut aussi se décharger au-delà de la lèvre 36 sous la forme d'un cône de pulvérisation de combustible auxiliaire ou d'un écoulement de combustible gazeux lorsqu'il ne sort pas de combustible liquide par la lèvre 30, c'est-à-dire dans le mode de fonctionnement avec changement de combustible Par exemple, pendant le démarrage du moteur, du combustible ga- zeux peut se décharger au-delà de la lèvre 36, aucun autre combustible n'étant amené au moteur. De l'air de refoulement de compresseur, A, est reçu par le troisième manchon 50 et transporté à travers celui-ci et au-delà des aubes de tourillonnement 80 et de la troisième lèvre annulaire 54 et arrive dans le cône de pulvérisation de combustible et/ou l'eau o le combus- tible auxiliaire est injecté L'air passant par la lèvre 54 entre par l'intérieur dans le cône de pulvérisation de combustible et/ou d'eau ou de combustible auxiliaire pour le pulvériser ou s'y mélanger dans le cas d'un com- bustible gazeux auxiliaire. De l'air de refoulement de compresseur se dé- charge aussi par l'extérieur, dans le cône de pulvérisa- tion de combustible, sous l'action-de l'enveloppe 90 qui est disposée à l'extérieur du premier manchon 26 et es- pacée de celui-ci et présente une extrémité amont ou- verte dans laquelle le premier manchon 26 pénètre comme représenté L'extrémité amont de l'enveloppe est brasée ou soudée au premier manchon en 25 o les parties de man- chon 24, 26 sont fixées ensemble au collet 32 A du deuxième manchon 32 Cette disposition d'assemblage est avanta- geuse puisqu'une seule opération de brasage ou de soudage réunit les parties de manchon 24, 26, le deuxième manchon 32 et l'enveloppe 90. La partie tubulaire cylindrique 90 A de l'enve- loppe comprend plusieurs fentes d'entrée d'air 90 B pour recevoir de l'air de refoulement de compresseur L'air entre dans une chambre de collecteur à air 100 formée entre les parties tubulaires cylindriques 90 A, 26 C de l'enveloppe et du premier manchon 26 et dépasse les aubes de tourbillonnement 101 Ensuite, l'air entre dans la chambre tronconique de tourbillonnement d'air 102 formée entre les parties tronconiques correspondantes 90 C, 26 D de l'enveloppe et du manchon intérieur 26, et finalement dépasse la lèvre annulaire 104 de l'enveloppe pour arri- ver par l'extérieur dans le cône de pulvérisation de com- bustible et/ou de l'eau ou du combustible auxiliaire, pour les atomiser ou s'y mélanger, conjointement avec l'air qui dépasse la lèvre 54. On observera que les aubes de tourbillonnement, conjointement avec les chambres tronconiques à combusti- ble, à eau ou à air, augmentent la vitesse et donc les forces centrifuges appliquées à la substance qui les par- court Dans l'ensemble de buse, le combustible, l'eau ou l'air tourbillonnent ou tournent dans le même sens général. Dans le fonctionnement sans eau ni combustible auxiliaire, le tube d'amenée 60 est simplement fermé par une vanne connue appropriée,etc et il brûle seulement du combustible liquide amené par le passage à combustible 22 Ce combustible se décharge dans la chambre de com- bustion sous la forme d'un cône de pulvérisation de com- bustible, par la lèvre 30,et l'air venant des lèvres 54 et 104 s'y mélange, respectivement par l'intérieur et l'extérieur, en atomisant le combustible La présence du troisième manchon 50 n'a pas d'effet nuisible sur le rendement de l'injecteur de combustible dans ce mode de fonctionnement. Lorsqu'on désire augmenter la poussée ou dimi- nuer les émissions, de l'eau ou du combustible auxiliaire peut être amenée par le tube 60 et se décharger par la lèvre 36 dans un cône de pulvérisation d'eau ou un cône de pulvérisation de combustible auxiliaire de manière à se mélanger au cône de pulvérisation de combustible li- quide qui sort de la lèvre 30 Bien entendu, de l'air de refoulement de compresseur se mélangera au cône de pulvérisation de combustible et à un autre cône de pulvé- risation, par l'intérieur et l'extérieur, en se déchar- geant respectivement au-delà des lèvres 54 et 104 Pen- dant le démarrage du moteur, du combustible gazeux peut être introduit par le tube 60 et se décharger par la lè- vre 36 sans que du combustible liquide se décharge par la lèvre 30 Après le démarrage, le combustible liquide peut être amené par le passage 22 et le plus vraisembla- ble est que l'on arrête ensuite l'écoulement de combusti- ble gazeux L'ensemble d'injecteur de l'invention éli- mine ainsi la nécessité de moyens d'amenée et d'injection spéciaux de combustible gazeux pendant le démarrage. Dans un mode de fonctionnement comme dans l'au- tre, le volume d'air qui s'écoule, le rapport air/combus- tible et les emplacements axiaux relatifs des lèvres 30, 36, 54, 104 seront choisis de manière à réaliser un mé- lange optimal combustible/air/eau pour obtenir un rapport combustible/air/eau approprié en vue de l'augmentation de la poussée et/ou de la diminution des émissions. Bien que l'on ait décrit l'invention en détail à propos de certains modes d'exécution particuliers et préférentiels, il est entendu que l'on peut y apporter diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Ensemble d'injecteur de combustible à air soufflé, utilisable dans le courant d'air de refoulement du compresseur d'une installation motrice à turbine à gaz et caractérisé en ce qu'il comprend: a) un premier manchon ( 24, 26) percé d'un conduit longitu- dinal et présentant une extrémité aval ouverte munie d'une première lèvre annulaire ( 30) et une extrémité amont ( 34); b) un deuxième manchon ( 32) disposé à l'intérieur du pre- mier, percé d'un deuxième conduit longitudinal et présen- tant une extrémité aval ouverte munie d'une deuxième lèvre annulaire ( 36) disposée en amont de la première-lèvre an- nulaire ( 30) et une extrémité amont, des parties du deu- xième manchon étant espacées du premier manchon de manière à former une chambre annulaire ( 40) réceptrice de combusti- ble liquide s'étendant entre eux en direction des première ( 30) et deuxième ( 36) lèvres o la chambre s'ouvre pour dé- charger du combustible liquide en passant par la première lèvre de manière à former un cône de pulvérisation de com- bustible; c) un troisième manchon ( 50) disposé à l'intérieur du deu- xième ( 36), percé d'un troisième conduit longitudinal et présentant une extrémité aval ouverte munie d'une troisième lèvre annulaire ( 54) disposée en amont de la deuxième lè- vre ( 36) et une extrémité amont ouverte, des parties du troisième manchon étant espacées du deuxième manchon de manière à former une chambre annulaire réceptrice ( 74) d'eau ou de combustible auxiliaire disposée entre eux, du côté intérieur par rapport à la chambre réceptrice de com- bustible liquide et se dirigeant vers les deuxième ( 36) et troisième ( 54) lèvres o la chambre s'ouvre pour dé- charger de l'eau ou du combustible auxiliaire en passant par la deuxième lèvre ( 36), en plus ou à la place du com- bustible liquide, le troisième manchon ( 50) recevant de l'air de refoulement de compresseur par son extrémité amont ouverte ( 52) pour le décharger en passant par la troisième lèvre ( 54) de façon qu'il se mélange, par l'in- 12 - térieur, au cône de pulvérisation de combustible et/ou à l'eau ou au combustible auxiliaire, et d) une enveloppe annulaire ( 90) disposée à l'extérieur du premier manchon ( 24, 26) percée d'un conduit longitudinal ( 100) et présentant une extrémité aval ouverte munie d'une lèvre annulaire d'enveloppe ( 104) disposée en aval de la première lèvre ( 30) et une extrémité amont dans laquelle pénètre le premier manchon, des parties de l'enveloppe étant espacées du premier manchon pour former une chambre annulaire ( 100) réceptrice d'air disposée à l'extérieur et autour du premier manchon et se dirigeant vers l'aval et vers la lèvre d'enveloppe ( 104), o la chambre récep- trice d'airs'ouvre pour décharger de l'air en passant par la lèvre d'enveloppe de façon qu'il se mélange par l'intérieur au cône de pulvérisation de combustible et/ou à l'eauou au combustible auxiliaire, et d'autres parties de l'enveloppe formant des ouvertures ( 90 B) pour recevoir de l'air de refoulement de compresseur. 2 Ensemble selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'extrémité amont ( 34) du deuxième man- chon et l'extrémité amont ( 52) du troisième manchon ( 50) s'étendent vers l'amont au-delà de l'extrémité amont du premier manchon ( 24) et comprennent des parties formant des moyens d'amenée communiquant avec la chambre annu- laire ( 70) réceptrice d'eau ou de combustible auxiliaire, pour y amener de l'eau ou du combustible auxiliaire quand on le désire. 3 Ensemble selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les moyens d'amenée comprennent une ou- verture,( 37) du deuxième manchon ( 32), un épaulement ad- jacent prévu sur des parties du troisième manchon ( 50) et un premier tube d'amenée ( 60) passant à travers l'ouver- ture et s'appuyant sur l'épaulement pour amener de l'eau ou du combustible auxiliaire, lorsqu'il le faut, à la chambre annulaire réceptrice d'eau ou de combustible au- xiliaire. 4 Ensemble selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le tube ( 60) est fixé métallurgiquement au deuxième manchon. Ensemble selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le premier manchon ( 24, 26) comprend un tube ( 20) d'amenée de combustible liquide communiquant avec la chambre réceptrice ( 40) de combustible liquide, ce tube étant adjacent au premier tube ( 60) d'amenée là o il entre dans l'ensemble d'injecteur.