Brevet FR2614361A1 — publié le 19881028

La présente invention concerne les dispositifs de carburation en général pour moteur à turbine à gaz et, plus particulière- ment, des systèmes de moteurs à turbine à gaz comportant des injecteurs de carburant basse pression. Les moteurs à turbine à gaz comprennent en général un compresseur pour pressuriser l'air et une chambre de combus- tion pour brûler le carburant avec une partie de l'air pressurisé et chauffer l'air pressurisé résiduel, ou une grande partie de celui-ci, qui est alors introduit dans une turbine pour produire de l'énergie. Le carburant brûlé est normalement l'objet d'un prémélange avec l'air avant de subir la combustion dans le but de minimiser la fumée et les autres sous-produits indésirables et rendre maximum l'efficacité du processus de combustion. Le dispositif de carburation est conçu pour atomiser le carburant, et le prémélanger à l'air de façon à effectuer une combustion efficace et complète. Un problème très courant est le dépôt charbonneux, phénomène se traduisant par l'accumulation de carbone par suite du chauffage du carburant non brûlé à des conditions non- stoéchiométriques sur des surfaces chaudes. Ce dépôt de carbone provoquant le dépôt charbonneux colmate les canaux et dégrade sérieusement le fonctionnement du moteur. Dans le passé, on a utilisé des atomiseurs avec des degrés variables de réussite pour-éviter les dépôts charbon- neux, lesquels ont provoqué le blocage des canaux des - 2 - atomiseurs, et ont été à l'origine d'une combustion ineffi- cace et nécessité des réparations coûteuses. Des atomiseurs efficaces peuvent aussi requérir des systèmes à haute pression qui augmentent le poids et les coûts des systèmes d'alimentation en carburant, conséquences que les concepteurs de moteurs à turbine à gaz recherchent toujours à éviter. On a conçu des systèmes de carburant basse pression qui incorporent des dispositifs primaires et secondaires contra-rotatifs provoquant des turbulences de l'air, qui atomisent le carburant sous l'effet des forces de cisaille- ment élevées développées dans la zone d'interaction entre les deux écoulements contra-rotatifs. De telles conceptions imposent l'emploi d'injecteurs de carburant de faible épais- seur qui sont enclins au dépôt charbonneux ou nécessitent des systèmes d'air compliqués et coûteux pour éviter ce dép6t. D'autres injecteurs de carburant basse pression qu'on a suggérés procèdent au mélange de l'air et du carburant en amont des dispositifs provoquant des turbulences dans l'air, par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 677 221 et 3 811 278, avant l'injection du mélange d'air et de carburant dans une chambre de mise en rotation. Ces dispositions souffrent également de dépôts charbonneux dans les zones contenant les ailettes des dispositifs provoquant les turbulences et sur les ailettes elles-mêmes. La présente invention a pour objet principal un dispositif perfectionné de carburation pour moteur à turbine à gaz qui procède au prémélange du carburant et de l'air pour introduction dans la chambre de combustion de manière à obtenir une combustion du carburant efficace, avec de faibles émissions et peu de fumée. La présente invention a pour autre objet un dispositif de carburation qui empêche les dépôts charbonneux dans les canaux de carburant et d'air. La présente invention a pour autre objet une distribu- tion uniforme du carburant dans un tel dispositif. - 3 -61431 Un autre objet de la présente invention est d'obtenir une fine atomisation du carburant dans un tel dispositif. La présente invention a encore pour objet un disposi- tif de carburation simple, facile à fabriquer. Un autre objet de la présente invention est un dispositif de carburation qui facilite l'installation et l'enlèvement d'un tube de carburant alimentant un tel dispositif. Un dispositif de carburation de turbine à gaz comprend une chambre de mise en rotation définie par une paroi généralement annulaire comportant une extrémité antérieure fermée et une extrémité postérieure fermée fixée à chaque ouverture de la paroi annulaire. L'extrémité postérieure présente au moins une ouverture et un moyen d'échappement disposé dans celle-ci, et la paroi comporte une entrée de carburant et une entrée d'air tourbillonnant espacée axiale- ment de la première. Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen d'échappement est un venturi. Dans un autre mode da réalisation, un dispositif secondaire provo- quant des turbulences dans l'air est disposé circonférentiel- lement autour du venturi à l'extérieur de la chambre de mise en rotation à l'intérieur d'un carénage et sert à améliorer le processus de carburation. Un autre mode de réalisation de l'invention comporte un moyen d'injection tangentiel du carburant qui peut être un tube rectiligne et dans une forme plus particulière, comporte une entrée évasée. Dans encore un autre mode de réalisation, l'extrémité postérieure a la forme générale d'une coupe comprenant une fossette. La suite de la description se rapporte aux dessins annexés qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'une chambre de combus- tion, donnée à titre d'exemple, d'un moteur à turbine à gaz comportant un dispositif de carburation selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue en coupe prise le long de la ligne - 4 - 2-2 de la figure 1. Dans les dessins et plus particulièrement en figure 1, on a représenté la présente invention dans le cas d'un dispositif de combustion 8 de moteur à turbine à gaz, disposé en aval du compresseur (non représenté) et communiquant par fluide avec l'air 10 refoulé par le compresseur. Le disposi- tif de combustion 8 circonscrit une chambre de combustion 12. Le dispositif 8 a généralement une forme annulaire et comprend une garniture extérieure 14, une garniture intéri- eure 16 et une extrémité 18 ayant la forme générale d'un dôme. Une cloison 21 fixée aux garnitures extérieure et intérieure 14 et 16, respectivement, présente une multitude d'ouvertures 20 espacées circonférentiellement les unes des autres, chaque ouverture renfermant un dispositif perfec- tionné de carburation 22 selon un mode de réalisation de la présente invention afin de fournir un mélange de carburant et d'air à la chambre de combustion. Le dispositif de combustion 8 est enfermé par une enveloppe 24 qui avec la garniture extérieure 14 et la garniture intérieure 16 définit un passage extérieur 26 et un passage intérieur 28 annulaires, respectivement. La garniture extérieure 14 et la garniture intérieure 16 comportent une première multitude d'ouvertures 30 pour fournir à la chambre de combustion 12 une première partie d'air 32. L'extrémité 18 du dispositif de combustion comporte une seconde multitude d'ouvertures 34 pour fournir l'air 10 refoulé par le compresseur au dispositif de carburation 22. Le dispositif 22 comprend une chambre 42 de mise en rotation, définie par un logement 38 généralement annulaire, ayant une extrémité antérieure fermée 40 en forme de coupe. L'extrémité anté- rieure 40 peut, comme dans le mode de réalisation préféré, présenter un bossage 44 qui est en saillie dans la chambre 42 et se fond régulièrement dans le logement 38. Un orifice de carburant 52 et un premier orifice 72 d'air tourbillonnant sont disposés dans le logement, l'entrée 72 de l'air - 5 - tourbillonnant étant axialement en arrière de l'orifice 52. Un injecteur tangentiel de carburant 50, qui dans ce mode de réalisation, est un tube rectiligne 54, comporte une sortie 62 au droit de l'orifice 52 d'injection de carburant et est tangent à la courbure du logement annulaire 38. Le tube 54 comporte une entrée évasée 56 destinée à s'accoupler à une conduite 60 de carburant basse pression. Un dispositif provoquant des turbulences dans de l'air primaire est situé à l'extrémité postérieure de la chambre 42 et, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, est en une pièce avec elle. Ce dispositif provoquant des turbulences comporte une entrée d'air primaire 72 destinée à recevoir l'air 10 refoulé par le compresseur, un canal annulaire d'air primaire 74, une sortie d'air primaire 76 vers la chambre 42. Le canal 74 d'air primaire est défini par un premier flasque 78 fixé à l'extrémité postérieure du logement 38 et par un second flasque 80 espacé du premier. Une multitude d'aubes primaires 82 provoquant des turbulences sont disposées circonférentiel- lement entre les premier et second flasques, de préférence en étant à la même distance les unes des autres. Comme on peut le voir en figure 2, les aubes primaires 82 sont inclinées par rapport au rayon des premier et second flasques 78 et 80 et sont orientées de façon que l'air tourbillonne dans la même direction tangentielle que celle dans laquelle le carburant est injecté dans la chambre 42. Un tube d'échappement 90 est disposé à l'intérieur du second flasque 80 de sorte que ce dernier sert de cloison pour la chambre 42 et positionne le tube. Les aubes primaires 82 provoquant des turbulences relient les premier et second flasques et le second flasque 80 supporte le tube d'échappe- ment 90. Dans le mode de réalisation préféré, le tube d'échappement 90 a la forme d'un venturi; il est classique et sera appelé venturi 90. Le venturi 90 est suffisamment espacé du logement 38 et disposé par rapport à ce logement pour former un moyen d'inversion 96 de l'écoulement qui est -6- conçu pour que l'air tourbillonnant inverse axialement son sens et suive le trajet représenté par la flèche 96a en figure 1. Une partie du moyen 96 est limitée par la paroi extérieure du venturi 90 qui avec le logement 38 forme un canal annulaire d'air 88 de manière à introduire l'air tourbillonnant dans le fond de la chambre de mise en rotation. Le venturi 90 a une entrée 92 suffisamment espacée à l'avant de la sortie 76 de l'air primaire pour forcer l'air tourbillonnant à s'écouler vers l'avant, à tourner ensuite autour du bord 94 d'une paroi 96 et à se diriger vers l'arrière. Le bord 94 a une forme aérodynamique de manière à minimiser les pertes de l'écoulement dans le virage. La sortie 98 du venturi débouche dans la chambre de combustion 12. Un dispositif 100 provoquant des turbulences dans de l'air secondaire est disposé circonférentiellement autour du venturi 90 en étant radialement espacé de celui-ci. Le dispositif 100 comprend une entrée 102 d'air secondaire destinée à recevoir l'air 10 refoulé par le compresseur, un canal annulaire 104 d'air secondaire, et une sortie 106 d'air secondaire. Le canal 104 est défini par le second flasque 80 et un troisième flasque 108 qui est espacé axialement de l'arrière du second flasque et a le même axe que les premier et second flasque. Une multitude d'aubes secondaires 110 provoquant des turbulences sont disposées entre les second et troisième flasques 80 et 108, respectivement, de préférence à la même distancelesunes des autres. Comme on peut le voir en figure 2, les aubes secondaires 110 sont inclinées par rapport au rayon R et peuvent l'être dans la même direction ou dans une direction opposée à celle des aubes 82 du dispositif provoquant des turbulences dans l'air primaire. De nouveau en liaison avec la figure 1, un dispositif d'échappe- ment ou carénage évasé 114 est fixé au troisième flasque 108 et s'étend à l'arrière de la sortie 98 du venturi. Le carénage 114 est positionné et espacé de manière à former un -7- canal de fluide 120 pour l'air tourbillonnant secondaire qui entre dans le dispositif provoquent des turbulences dans l'air secondaire. En fonctionnement, l'air 10 refoulé par le compresseur est délivré au dispositif de carburation 22 par l'intermé- diaire d'ouvertures 20 ménagées dans l'extrémité 18 en forme de d6me du dispositif de combustion 8. Comme on peut le voir en figure 2, le carburant à basse pression est fourni à l'injecteur tangentiel 50 par la conduite 60. Le tube 54 d'injection du carburant a une entrée évasée 56 de manière à faciliter l'installation et le démontage de la conduite 60. L'injecteur tangentiel de carburant 50 est un tube rectiligne monté tangentiellement au logement annulaire 38, qui injecte le carburant dans une direction tourbillonnante à l'intérieur de la chambre 42 de mise en rotation. La direction des tourbillons du carburant a pour effet que le carburant forme une pellicule tournante le long de la partie intérieure du logement 38. Le dispositif 110 provoquant des turbulences dans l'air primaire reçoit l'air 10 refoulé par le compres- seur et en provoque le tourbillonnement, de préférence dans la même direction que le carburant. Les aubes primaires 82 provoquant des turbulences sont judicieusement inclinées par rapport au rayon R du logement 38 de manière à rendre maximum l'effet de turbulence de l'air. De nouveau en liaison avec la figure 1, l'air tourbillonnant est acheminé jusque dans la chambre 42 da mise en rotation par l'intermédiarie des canaux annulaires 74 au droit de l'orifice 52 d'injection de carburant, ce qui aide à entraîner le carburant jusque dans la chambre 42. L'inter- action visqueuse entre le courant d'air et le carburant renforce la mise en rotation du carburant et la formation d'une pellicule de carburant dans la chambre 42. La combinai- son de la vitesse des tourbillons et de l'inversion du courant d'air produit une fine pellicule de carburant sur la surface de l'extrémité avant en forme de coupe du logement 38 -8- 261436 et un anneau radialement intérieur de carburant sur l'extré- mité antérieure. L'anneau tourbillonnant du carburant se produit sous l'effet de la force centrifuge à action contraire, associée au mouvement de tourbillonnement ou de rotation, et des forces visqueuses de l'air sortant axiale- ment par le tube d'échappement ou le venturi 40 agissant sur le carburant. Au bord de l'anneau, de minuscules gouttelettes de carburant se forment et sont libérées de l'anneau, descendent dans le venturi 90 ou elles se mélangent à l'air et sont alors expulsées en passant par la sortie 98 du venturi pour entrer dans la chambre de combustion 12. Le dispositif 100 provoquant des turbulences dans l'air secondaire est destiné à recevoir l'air 10 refoulé par le compresseur et à le faire tourbillonner pour qu'il entre dans un canal de fluide 120 qui renforce l'écoulement dans le venturi 90 à des fins de carburation, et cela de plusieurs façons. Il créé une zone de basse pression par action cyclônique qui améliore l'écoulement et crée de plus grandes forces de cisaillement qui atomisent le carburant dans l'air et le mélange de carburant traversant le venturi. Si les aubes 110 sont inclinées dans une direction opposée à celle des aubes 82, des forces supplémentaires de cisaillement seront créées à l'avant du venturi 98 qui renforceront l'atomisation du carburant avant la combustion. D'après la discussion précédente, on peut comprendre que le mélange de carburant et d'air n'a aucune chance de former un dépôt charbonneux à l'intérieur des petits canaux du dispositif de carburation, par exemple entre les aubes primaires provoquant des turbulences. Il apparaîtra au technicien que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation spécifiques décrits et illustrés ici. Elle n'est pas non plus limitée aux dispositifs de carburation pour moteurs à turbine à gaz. Le mode de réalisation discuté ci-dessus concerne une applica- tion dans un dispositif annulaire de combustion, mais la -9- présente invention s'applique également à une chambre de combustion du type symétrique. On comprendra que les dimensions relatives et les relations proportionnelles et structurelles indiquées dans les dessins sont données à titre d'exemple seulement et que ces illustrations ne doivent pas être considérées- comme des dimensions ou des relations structurelles ou proprotionnelles réelles utilisées dans la construction de la présente invention. - 10 - REVENDICATIONS 1. Dispositif de carburation (22) pour turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de mise en rotation (42) définie par un logement généralement annulaire (38) ayant une extrémité antérieure fermée (40), une extrémité postérieure, et un moyen d'échappement (90) présentant un orifice d'entrée disposé à l'intérieur de la chambre, et le logement ayant une entrée de carburant (52) et une entrée (72) d'air tourbillonnant espacées l'une de l'autre dans le sens axial. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée de carburant est espacée axialement à l'avant de l'entrée de l'air tourbillonnant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'échappement comprend au moins un tube. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube d'échappement (90) est un tube venturi. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (100) provoquant des turbulences dans l'air secondaire qui communique par fluide et pression avec le tube d'échappement. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube d'échappement est un venturi. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un moyen d'injection de carburant (50) communique par fluide avec l'entrée de carburant (52) et permet d'injecter le carburant dans la chambre de mise en rotation dans une direction tangentielle au logement annulaire. 8. Dispositif'selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité antérieure (40) comprend une partie bombée (44) qui est en saillie dans la chambre de mise en rotation. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'injecteur de carburant comprend un tube rectiligne (54) ayant une entrée évasée (56); - 1 1 - 10. Dispositif de carburation (22) pour turbine à gaz destiné à fournir un mélange d'air et de carburant à une chambre de combustion (12), caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de mise en rotation (42) définie par un logement (38) ayant la forme générale d'une coupe, fermé à son extrémité antérieure (40) et ouvert à son extrémité postérieure et comportant un premier flasque (78) fixé à son extrémité postérieure; un tube d'échappement (90) comportant un orifice de sortie (98) et un orifice d'entrée (92) disposé à l'intérieur de la chambre de mise en rotation; o le tube d'échappement est disposé radialement à l'inté- rieur du premier flasque pour former une conduite annulaire de fluide entre le logement et lui-même, la conduite ayant une entrée (72) pour de l'air tourbillonnant; un second flasque (80) fixé au tube d'échappement en étant disposé autour de lui, entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie en étant espacé de l'arrière du premier flasque formant un premier canal annulaire (74) entre les premier et second flasques qui communique par fluide avec l'entrée (72) de l'air tourbillonnant; un moyen (70) pour provoquer des turbulences dans l'air, disposé entre les premier et second flasques; et un moyen (50) d'injection de carburant ayant au moins une entrée de carburant (52) dans le logement de la chambre de mise en rotation située axialement à l'avant de l'entrée de l'air tourbillonnant. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen provoquant des turbulences dans l'air comporte une multitude d'aubes (82). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le tube d'échappement (90) est un venturi. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant est un injecteur tangen- tiel qui injecte le carburant tangentiellement au logement 2 621-26 14361 - 12 - annulaire. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'extrémité antérieure comporte un bossage (44) en saillie dans la chambre de mise en rotation. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant comporte une conduite ayant une entrée évasée (54). 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant est un tube rectiligne (50). 17. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un carénage comportant un troisième flasque (108) qui lui est fixé, o ce carénage est disposé circonférentiel- lement autour du tube d'échappement et le troisième flasque est espacé de l'avant de la seconde chambre en formant une conduite d'air qui communique par fluide avec la chambre de combustion, un moyen (100) provoquant des turbulences dans l'air secondaire, disposé entre les second et troisième flasques. 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que le moyen provoquant des turbulences dans l'air secondaire comporte une seconde multitude d'aubes (110). 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que le tube d'échappement est un tube venturi. 20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant est un injecteur tangen- tiel. 21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que le tube d'échappement est un tube venturi. 22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'extrémité antérieure comporte un bossage (44) qui est en saillie dans la chambre de mise en rotation (42). 23. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'extrémité antérieure comporte un bossage (44) qui - 13 -6 est en saillie dans la chambre de mise en rotation (42). 24. Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant est un injecteur tangen- tiel qui injecte du carburant tangentiellement au logement annulaire (38). 25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'injecteur de carbuant comporte une entrée évasée (56). 26. Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant est un tube rectiligne (54). 27. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que la seconde multitude d'aubes (110) provoquant des turbulences dans l'air sont inclinées de manière à faire tourbillonner l'air suivant la même tangente avec laquelle le carburant est injecté. 28. Dispositif selon la revendication 27, caractérisé en ce que les première et seconde multitudes d'aubes (82; ) sont inclinées dans des directions opposées.