Brevet FR2579268A1 — publié le 19860926

La présente invention concerne un brûleur utili- sé dans un moteur Stirling et, plus particulièrement, un brûleur perfectionné dans lequel le maintien du cone est plus sûr. Un brûleur classique pour moteur Stirling compor- te un cône en céramique qui présente une surface circonfé- rentielle extérieure chanfreinée, et un déflecteur métalli- que présentant une partie cylindrique qui définit une cavité conique dans laquelle est inséré le cône de manière à être supporté par le déflecteur. Lorsque le brûleur est monté dans le moteur dans la position horizontale, la température du déflecteur croit sensiblement, à la suite de quoi le diamè- tre intérieur de la partie cylindrique augmente par suite de la dilatation thermique. Comme le cone en céramique du brû- leur subit une dilatation moins grande, un interstice se trou- ve formé entre la partie cylindrique et le cône du brûleur, cone qui peut ainsi s'incliner par rapport à l'axe d'un dis- positif créant des turbulences. Comme la flamme produite par le cône incliné du brûleur se trouvera également inclinée, il se produit un chauffage irrégulier des tubes de chauffage 2. du moteur. Un autre problème attribuable à l'inclinaison du cône du brûleur se trouve soulevé lorsque la flamme s'éteint au moment de l'arrêt du moteur. Plus spécifique- ment, comme le déflecteur se contracte par suite de la bais- se de la température, le cône du brûleur est soumis à une contrainte qui peut provoquer son avarie.En outre, comme le cône du brûleur a une conductibilité électrique de faible- valeur à cause de sa construction en céramique, il ne peut être utilisé comme électrode de masse de l'allumeur du brûleur. Un objet de la présente invention est un brûleur pour moteur Stirling ne souffrant pas des problèmes de l'art antérieur exposés ci-dessus. Un autre objet de la présente invention est un brûleur pour moteur Stirling, brûleur quipermet à un cône pour brûleur d'être maintenu de manière sûre même lorsque le brûleur est utilisé horizontalement, tout en permettant au cône de se monter facilement et d'être protégé contre les avaries. Selon la présente invention, les objets précé- dents sont atteints avec un brûleur pour moteur Stirling comprenant un logement; un déflecteur pour séparer l'inté- rieur du logement en une chambre à air et une chambre de combustion, le déflecteur ayant une partie circonférentiel- le extérieure supportée sur le logement et une partie cylin- drique centrale ayant une forme conique; un cone de brûleur en céramique généralement cylindrique pour permettre la com- bustion primaire d'un mélange de carburant et d'air, le cône du brûleur étant inséré dans la partie cylindrique du déflec- teur pour y être maintenu et présentant une surface circonfé- rentielle extérieure chanfreinée et une face extrême annulai- re sur son côté amont; une multitude de tubes de chauffage supportés sur le logement et disposés sur un côté circonfé- rentiel intérieur de la chambre de combustion; et un ajutage d'injecteur de carburant supporté sur le logement afin d'in- jecter du carburant dans le cône du brûleur à une partie 3. située en amont de celui-ci. Le déflecteur comporte une partie d'engagement ayant une surface circonférentielle extérieure annulaire pour venir en engagement avec la face ex- trême annulaire du cône du brûleur. Le cône du brûleur est maintenu par la partie cylindrique conique du déflecteur et par la partie d'engagement. Un déflecteur qui est fondamentalement similaire à celui employé dans l'art antérieur peut être utilisé. La partie cylindrique conique du déflecteur à la portion centra- le o la plaque divise le logement en chambre à air et cham- bre de combustion présente son ouverture la plus large à la chambre à air et son ouverture la plus petite à la chambre de combustion. Le déflecteur est protégé contre la chaleur par le cône du brûleur et par conséquent n'est pas exposé à des températures particulièrement élevées. Par conséquent, le déflecteur peut être normalement constitué d'un métal pouvant se travailler facilement. Le cône du brûleur a une forme cylindrique et sert à allumer le carburant et à le soumettre à une combus- tion primaire dans son intérieur, puis à fournir la flamme à la chambre de combustion. Par conséquent, on préfère utili- ser une céramique ayant une excellente résistance à la cha- leur, par exemple une céramique en nitrure de silice. La par- tie circonférentielle extérieure du cône du brûleur a une for- me chanfreinée, épousant généralement la forme de la partie cylindrique du déflecteur. Le cône du brûleur peut être main- tenu par insertion de la partie cylindrique du déflecteur à partir du côté chambre à air. La chambre de combustioncomprend une multitude de tubes de chauffage, comme dans les agencements de l'art antérieur. Ces tubes communiquent avec l'espace de travail du moteur Stirling et un gaz de travail tel que l'hélium ou l'hydrogène y est enfermé de manière étanche. La cha- leur provenant de la combustion du carburant provoque l'échauffement du gaz de travail via les tubes, d'o l'en- traînement du moteur Stirling. L'ajutage d'injection de carburant, qui provoque l'injection d'un carburant tel que du gaz de ville dans la partie en amont du cone du brûleur, peut être identique à celui utilisé dans le brûleur de l'art antérieur. La caractéristique principale de la présente inven- tion réside dans la partie d'engagement prévue sur le déflec- teur du côté amont du cône du brûleur, cette partie présen- tant une surface circonférentielle extérieure de forme annu- laire pour la venue en contact de la face annulaire extrême du cône sur son côté amont. On peut choisir diverses for- mes pour cette partie d'engagement. Par exemple, cette par- tie peut être insérée dans l'ouverture du cône du brûleur sur son côté amont de façon que sa surface circonférentielle ex- térieure vienne en contact avec le cône dans une direction per- pendiculàire à l'axe du cône. En outre, la partie d'engagement peut comporter une rainure annulaire en faisant en sorte que le déflecteur présente un pourtour en saillie dans la direction du cone du brûleur, la rainure étant ménagée entre la partie d'engage - ment et le pourtour. La saillie annulaire formée sur la face latérale amont du cone du brûleur est appariée à la rainure annulaire lorsque le cône est monté. Si le brûleur de la présente invention est utilisé horizontalement, le poids du cône du brûleur est supporté par la partie d'engagement et la partie cylindrique conique du déflecteur de sorte que le cône peut être maintenu sûrement sans inclinaison même dans le cas o le déflecteur se dilate par suite de la chaleur de combustion. Ici, une partie du dispositif créant des turbulences, qui introduit de l'air, par exemple un flasque métallique de support de ce disposi- tif, peut constituer une partie du déflecteur, et la partie d'engagement peut être prévue sur ce flasque. Lorsque le brûleur est utilisé verticalement, son cône peut être maifin- tenu de façon sûre principalement par la partie cylindrique conique du déflecteur même pendant le chauffage. Bien que 5. le cône du brûleur puisse être fixé par des boulons, il existe des cas o les boulons se brisent par suite de la contrainte thermique locale à laquelle les trous de boulon sont soumis lorsque le cône est exposé à des températures élevées. Par conséquent, le cône du brûleur a de préfeéren- ce une forme simple. Cette exigence est également satisfaite dans la présente invention. Lorsqu'on utilise le brûleur de la présente inven- tion dans la position horizontale, la partie d'engagement pré- vue sur le déflecteur supporte le poids du cône qui agit per- pendiculairement à l'axe de ce cône, permettant le maintien du cône. De plus, le cône peut être maintenu avec sûreté sans inclinaison même si la chaleur produite par la combustion du carburant provoque la dilatation de la partie cylindrique du déflecteur, avec augmentation à l'avenant de son diamètre intérieur. Si le brûleur est utilisé dans la position verti- cale, la déformation due à la dilatation thermique est absor- bée par la partie cylindrique conique du déflecteur juste comme dans l'art antérieur, de sorte que le cône peut être maintenu avec sûreté. En outre, lorsqu'il y a combustion du carburant dans le brûleur, la partie d'engagement se dilate diamétra- lement par suite de la chaleur de combustion et par consé- quent se rapproche de la face extrême du cône qui est en re- gard de cette partie. Cela provoque un maintien encore plus sûr du cône du brûleur. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un brûleur de l'art antérieur pour moteur Stirling; La figure 2 est une vue en coupe, à grande échel- le, d'une partie principale du brûleur de la figure 1, dans laquelle un cône de brûleur est incliné par rapport à l'ho- rizontale; 6. La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation d'un brûleur pour moteur Stirling selon la présente invention; La figure 4 est une vue en coupe, à grande échel- le, d'une partie principale du brûleur de la figure 3; et La figure 5 est une vue en coupe, à grande échel- le, d'une partie principale d'un second mode de réalisation d'un brûleur pour moteur Stirling selon la présente inven- tion. Avant de procéder à la description d'un mode de réalisation de la présente invention, on se reportera aux fi- gures 1 et 2 pour un examen plus détaillé de l'art antérieur, et des problèmes que celui-ci soulève. Un exemple connu de brûleur pour moteur Stirling tel qu'illustré en figure 1, est décrit dans le mémoire de la demande de brevet japonais publiée n 58-106542. Ce brû- leur de l'art antérieur comporte un cône en céramique 30 ayant une surface circonférentielle extérieure chanfreinée, et un déflecteur métallique 31 définissant une partie cylin- drique 32 qui délimite une cavité conique dans laquelle est inséré le cône 30 pour être supporté par le déflecteur 31. Par conséquent, s'il se produit une différence de dila- tation thermique entre le cône 30 et le déflecteur 31, tou- te déformation pouvant être attribuée à la dilatation peut être absorbée par la surface conique. Il en résulte que le cône 30 n'est pas soumis à des contraintes et ne se trouve- ra pas endommagé. Le montage et le démontage du cône 30 s'ef- fectuent très facilement car le cône est tout simplement inséré dans la partie cylindrique 32 ou en est extrait. Lorsqu'on utilise le brûleur classique ayant la construction précédente dans la position horizontale, comme représenté en figure 2,la température du déflecteur 31 s'élève à une valeur comprise entre 700 et 1000 C, ce qui se traduit par un agrandissement du diamètre intérieur de la partie cylindrique 32. Le cône en céramique 30 supporte 7. une dilatation moins grande que la partie cylindrique 32, de sorte qu'un interstice 40 se trouve formé entre la par- tie cylindrique 32 et le cône 30; ce dernier est alors in- cliné sous l'effet de la pesanteur. Par conséquent, le cône 30 présente une certaine inclinaison par rapport à l'axe A-A' du dispositif 33 créant des turbulences, d'o la pro- duction d'une flamme qui est également inclinée. Il en ré- sulte un chauffage irrégulier des tubes 34, représentés en figure 1. Un autre problème soulevé par l'inclinaison du cône 30 est celui de son endommagement par les contraintes qui lui sont appliquées sous l'effet de la contraction du dé- flecteur 31 au moment o il y a extinction de la flamme lors de l'arrêt du moteur, le déflecteur se trouvant refroidi.De plus, étant donné que le cône 30 est en céramique et a par conséquent une faible conductibilité électrique, celui-ci ne peut servir d'électrode de masse pour l'allumeur de brûleur. Bien que le dispositif 33 créant des turbulences présente un flasque métallique 35 qui sert d'électrode de masse à l'allumeur dans l'art antérieur, une flamme pénètre dans l'intérieur de ce dispositif car l'étincelle produite par l'allumeur est proche de celui-ci. Cela provoque le brûla- ge du dispositif 33. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes précédents et sera maintenant décrite en détail en liaison avec les figures 3 à 5. Un brûleur 1 pour moteur Stirling comporte une paroi supérieure 2 équipée d'un ajutage 3 d'injection de carburant. Un canal 5 pour le passage de l'air de combus- tion communiquant avec un pré-chauffeur d'air 6 est ména- gé entre la paroi supérieure 2 et le déflecteur 4, dont la partie circonférentielle extérieure est fixée au côté du corps du brûleur. Formée dans la partie centrale du déflec- teur 4, une partie cylindrique conique 13 reçoit par inser- tion un cône 7 de brûleur présentant une surface circonfé- rentielle extérieure chanfreinée 12 et comprenant une céramique 8. résistant à la chaleur du type nitrure de silice. Un dis- positif 8 créant des turbulences est disposé à la partie supérieure du cône 7 et entoure l'ajutage 3; il est fixé à la bordure 15 dudéflecteur 4 via un flasque métalli- que 14 du dispositif 8. L'ajutage 3 est dirigé vers la chambre de combustion primaire 9 formée à l'intérieur du cône 7, qui débouche dans la chambre principale, de combus- tion 10. Disposés à l'intérieur de la chambre 10, une mul- titude de tubes de chauffage 16 sont espacés circonférentiel- lement les uns des autres et disposés radialement; ils com- muniquent à l'une de leurs extrémités avec l'espace de tra- vail 17 du moteur Stirling et à leur autre extrémité avec un récupérateur 18. Le flasque métallique 14 comporte une partie d'engagement 22 présentant une surface circonférentielle extérieure 20 de forme annulaire. La partie 22 est insérée dans la portion d'admission du cône 7 sur son côté amont. Un allumeur 21 présente une tige d'électrode située à pro- ximité de la partie d'engagement 22. Lors du fonctionnement du brûleur 1 ayant la construction précédente, l'air de combustion.provenant du canal 5 est entraîné dans un courant d'air tourbillonnant par le dispositif 8 créant des turbulences, puis entre dans la partie d'admission du brûleur 7 sur son côté amont. Le carburant est injecté dans l'orifice d'admission du cô- ne 7 à partir de l'ajutage 3, se mélange à l'air et est brûlé par une étincelle produite entre l'allumeur 21 et la partie d'engagement 22, après quoi le mélange air-carburant entre dans la chambre de combustion primaire 9 pour y su- bir une combustion primaire. Le mélange est alors fourni à la chambre de com- bustion principale 10. Le courant d'air tourbillonnant intro- duit dans le cône 7 à partir du dispositif 8 raccourcit la flamme au droit de l'ajutage 3 et agit ainsi de manière à produire une flamme plus uniforme. Il facilite également un 9. mélange effectif d'air et de carburant dans la chambre 9 de sorte que des concentrations localement excessives du mélange ne se produisent pas. Le cône 7 comporte un orifice de sortie 11 de dimensions limitées qui permet d'obtenir une combustion complète en répartissant uniformément le mélange de gaz tourbillonnant préalablement brûlé dans la chambre primaire 9,dans la chambre de combustion principale 10. A cause de la chaleur dégagée par la combustion du carburant, le déflecteur métallique 4 se dilate, à la suite de quoi le diamètre de sa partie cylindrique 13 aug- mente. Le cône en céramique 7 du brûleur se dilate également mais à un degré moindre que le déflecteur 4. Si le brûleur fonctionne dans la position horizontale, le cône 7 aura tendance à avancer et à être incliné par rapport à l'hori- zontale sous l'effet de la pesanteur agissant sur lui. Ce- pendant, à ce moment là, la partie d'engagement 22 empêche l'inclinaison du cône 7 car sa surface extérieure 20 de forme annulaire se dilate radialement dans la direction de l'extérieur à cause de la chaleur de combustion et vient en contact avec une face annulaire extrême 23 (figure 4) du cô- ne 7 du côté amont. Par conséquent, le mélange air-carburant est introduit dans la chambre de combustion primaire 9 de manière uniforme par rapport à l'axe de la chambre et, en ou- tre, est réparti uniformément à l'intérieur de la chambre de combustion principale 10 sans prendre un état incliné, d'o une combustion complète du mélange. Par conséquent, les tubes de chauffage 16 peuvent être réchauffés uniformément de sorte que le gaz de travail à l'intérieur des tubes 16 peut être chauffé uniformément lors de la réception de la chaleur produite à l'intérieur de la chambre 10. On peut enlever facilement le cône 7 du brûleur 1 en l'ôtant simplement de la partie cylindrique 13 après avoir démonté le dispositif 8. Selon la présente invention telle qu'elle est dé- crite ci-dessus, le cône 7 est supporté par la surface inté- rieure de la partie cylindrique 13 du déflecteur 4, et par la 10. partie d'engagement 22. Par conséquent, le cone 7 ne sera pas incliné ni soumis aux contraintes dues à l'effet de la dilatation thermique. Comme la partie d'engagement 22 peut être utilisée en borne de masse pour l'allumeur 21, la position de l'étincelle produite par l'allumeur est plus basse que dans l'art antérieur de sorte qu'on peut obtenir un allumage plus sûr. De plus, on peut empêcher que la flamme produite n'entre dans le dispositif 8, créant des turbulences.En outre, le cône 7 peut être installé et enlevé très facilement comme dans l'art antérieur, c'est-à- dire en l'insérant dans la partie cylindrique 13 et en l'en- levant de cette partie. Un second mode de réalisation d'un brûleur selon la présente invention est illustré en figure 5. Ce mode de réalisation est différent du premier mode en ce qui concer- ne seulement la forme du flasque métallique, représenté en , du dispositif 8 créant des turbulences, ainsi que celle du cône du brûleur, ayant pour référence 26. Plus spécifi- quement, le flasque métallique 25 présente une rainure annu- laire 27 définie entre les pourtours intérieur et extérieur 29a, 29b, respectivement, du flasque 25, et l'orifice d'en- trée du cône 26 sur son côté amont présente une saillie annu- laire 28. Apres montage du cône 26, on fixe le dispositif 8, la rainure annulaire 27 du flasque 25 étant appariée à la sail- lie annulaire 28 du cône 26. Ainsi, la saillie 28 s'engage dans les parties 29a, 29b dans deux directions perpendiculai- res à l'axe. Les actions et effets de ce mode de réalisa- tion sont identiques à ceux du premier mode de réalisation. Selon la présente invention, le cône du brûleur est engagé de manière stre par la partie d'engagement et par conséquent ne s'inclinera pas lorsque le brûleur est utilisé horizontalement même si une différence de dilata- tion thermique se produit entre le déf lecteur et le cône du brûleur. Cela permet d'avoir l'assurance que la flamme ne s'inclinera pas et que, par conséquent, elle sera uniforme ll. suivant l'axe du cône et produira un chauffage uniforme des tubes. Comme le cône a une configuration simple, il n'est pas soumis aux contraintes internes locales ni aux contraintes appliquées à partir de l'extérieur. On a l'assu- rance que le cône ne sera pas endommagé même s'il y a une variation brutale de la combustion. Un avantage secondaire est que l'allumeur peut être disposé à la partie d'entrée du cône sur son côté amont. Cela rend possible la production de l'étincelle à un endroit situé à une certaine distance du dispositif créant les turbulences de sorte que ce dernier ne sera pas endommagé par brûlage. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de varian- tes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 12. REVENDICATIONS - 1 - Brûleur pour moteur Stirling, caractérisé en ce qu'il comprend: - - un logement; - un déflecteur (4) pour séparer l'intérieur du logement en chambre à air (5) et chambre de combustion (10), le déflecteur ayant une partie circonférentielle extérieure supportée par le logement et une partie cylindrique centra- le ayant une forme conique (13); - - un cône de brûleur en céramique (7) générale- ment cylindrique pour la combustion primaire d'un mélange de carburant et d'air de combustion, ce cône étant inséré dans la partie cylindrique du déflecteur et maintenu dans celle-ci, et ayant une surface circonférentielle extérieure chanfreinée et une face extrême annulaire sur son côté amont; - une multitude de tubes de chauffage (16) suppor- tés par le logement et disposés sur le côté circonférentiel intérieur de la chambre de combustion; et - un ajutage d'injection de carburant (3) suppor- té sur le logement pour injecter du carburant dans le cône du brûleur à une partie en amont de ce dernier; - le déflecteur étant équipé d'une partie d'en- gagement (22) présentant une surface circonférentielle ex- térieure de forme annulaire qui vient en contact avec la fa- ce extrême annulaire (12) du cône du brûleur; - le cône du brûleur étant maintenu par la partie cylindrique conique du déflecteur et la partie d'engagement. 2 - Brûleur selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif créant des turbulences (8) pour la production d'air, une partie (14) de ce dispositif consti- tuant une partie de l'extrémité amont de la partie cylindri- que conique du déflecteur, la partie d'engagement étant mon- tée sur ce dispositif. 3 - Brûleur selon la revendication 1, caractéri- se en ce que le cône comprend une saillie annulaire (28) 13. qui est dirigée vers le côté amont, cette saillie ayant une surface circonférentielle intérieure servant de surfa- ce d'engagement et la partie d'engagement du déflecteur a une rainure annulaire (27) ménagée concentriquement par rapport à la saillie annulaire, la saillie annulaire étant montée dans cette rainure et y étant maintenue.