Brevet FR2621079A1 — publié le 19890331

-1 La présente invention concerne les systèmes de répartition de carburant pour des chambres de combustion de moteurs à turbine à gaz. Les systèmes de répartition de carburant pour les moteurs à turbine à gaz ont pour objet de répartir le carbu- rant provenant d'un distributeur ou collecteur commun uni- formément entre un ensemble d'injecteurs de carburant ou buses placés en divers endroits de la chambre de combustion du moteur. Cette répartition uniforme du carburant doit se C0 faire sur une large gamme de conditions de fonctionnement du moteur de la mise en route jusqu'à la puissance maximale, ce qui représente une variation considérable des débits de carburant. Dans une configuration type de moteur, les injec- L5 teurs de carburant sont sous la forme d'un réseau circulaire dans un plan vertical à la périphérie d'une chambre de combustion annulaire. Par consequent, les injecteurs sont placés à des hauteurs relativement différentes et subissent donc en correspondance des pressions statiques de fluide différentes associées à leurs positions. La conception du système de répartition du carbu- rant doit donc également tenir compte de la pression stati- que maximale du fluide existant entre les injecteurs placés les plus hauts et les plus bas si on veut obtenir une répar- -2-- tition uniforme de carburant entre tous les injecteurs. Chaque conduite de carburant d'injecteur devrait donc introduire une perte de charge suffisante pour com- penser cette différence maximale de pression statique du fluide pour assurer que l'injecteur le plus bas ne reçoit pas plus de carburant que l'injecteur le plus haut. Ce problème est plus prononcé pour les faibles débits de car- burant car cette différence maximale de pression statique du fluide devient alors significative par rapport à la pression d'entraînement du débit de carburant développée par la pompe de carburant. Ainsi, il est nécessaire de concevoir le système de répartition de carburant de telle sorte que les pertes de charge dans la conduite de carburant de l'injec- teur soient suffisamment élevées aux faibles débits de carburant pour tenir compte de cette différence de pression statique de fluide, et ne soient pas importants aux débits élevés de carburant au point de nécessiter une pressurisa- tion du carburant exagérément élevée. Il est également important que la perte de charge dans chacune des conduites de combustible d'injecteur soit uniforme sur tout le domaine de fonctionnement du moteur afin d'éviter une mauvaise répartition et aussi faible que possible pour une efficacité maximale de la répartition de carburant. Jusqu'à présent ces considérations de conception ont été satisfaites par l'utilisation de vannes de dosage de carburant et de division de flux plutôt compliquées et relativement coûteuses afin d'obtenir une répartition uni- forme de carburant sur la totalité du domaine de fonctionne- ment du moteur. Comme une de ces vannes est incorporées dans chaque conduite de carburant d'injecteur et qu'un moteur à turbine à gaz utilise plusieurs injecteurs de carburant, par exemple douze ou plus, ces vannes représentent un coût important particulièrement dans le cas de petits moteurs à turbine à gaz, c'est-à-dire moins de 3000 chevaux-vapeur (2237 kW). Ces vannes, qui peuvent 9tre de type mécanique ou -3- fluidique, fonctionnent typiquement automatiquement en réponse. à la pression de carburant pour imposer les impé- dances variables requises au débit de carburant, c'est-à-- dire, les pertes de charge, dans les conduites de carburant i d'injecteur calculées pour obtenir une répartition uniforme de carburant sur la totalité du domaine de fonctionnement du moteur. De plus, la fiabilité des opérations de dosage de carburant et de division de flux de ces vannes peut être L0 affectée par toutes impuretés dans le carburant. Ainsi, ces vannes exigent typiquement une maintenance périodique et parfois leur remplacement. La présente invention a donc pour objet de fournir: - un système perfectionné de répartition du carbu- L5 rant pour des chambres de combustion de moteurs à turbine à gaz; - un système de répartition de carburant comme ci-dessus qui ne nécessite pas de vannes de dosage et de division de flux dans chacune des conduites de carburant d'injecteur; - un système de répartition de carburant comme cidessus dans lequel la répartition uniforme du carburant s'effectue sur la totalité du domaine de fonctionnement du moteur tout en rendant minimale la perte d'énergie ou perte de charge dans chacune des conduites de carburant d'injec- teur; - un système de répartition de carburant comme ci-dessus dans lequel la perte de charge dans chacune des conduites de carburant d'injecteur est égalisée sur le domaine de conditions de fonctionnement du moteur de la mise en route à la puissance maximale; - un système de répartition du carburant comme ci-dessus qui est relativement insensible au colmatage par des impuretés dans le carburant; et - un système de répartition du carburant comme - 4 - ci-dessus qui soit économique à réaliser, efficace en fonc- tionnement et fiable pour une durée de service prolongée. On a découvert que si on établit une condition prédéterminée d'écoulement laminaire du carburant dans chacune d'un ensemble de conduites de carburant d'injecteur d'un système de répartition de carburant d'une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, on peut obtenir une relation appropriée entre l'impédance d'écoulement ou perte de charge et le débit de carburant pour assurer une réparti- tion uniforme du carburant non seulement aux débits élevés de carburant, mais aussi, et de façon plus significative, aux faibles débits de carburant sans recourir à des vannes de dosage de carburant et de division de flux. Ainsi, selon une réalisation de la présente invention, on fournit un système de répartition de carburant incluant un distributeur ou collecteur dans lequel est introduit du carburant sous pression. En communication distincte avec le distributeur il y a un ensemble de conduites de carburant, chacune menant à l'un différent d'un ensemble d'injecteurs ou buses de carbu- rant disposés en un réseau dans un plan vertical à la péri- phérie de la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Dans chacune de ces conduites de carburant est incor- poré un élément d'établissement d'un écoulement laminaire de carburant, qui dans la réalisation recommandée de l'inven- tion est simplement un tube de diamètre prédéterminé calculé pour établir et maintenir l'écoulement laminaire du carbu- rant acheminé sur un domaine de débits allant de la mise en route jusqu'à au moins la proximité de la puissance maxi- male. Alors en choisissant des longueurs appropriées pour ces tubes à écoulement laminaire, on peut établir la carac- téristique voulue de perte de charge en fonction du débit pour chacune des conduites de carburant afin d'assurer une répartition uniforme de carburant sur la totalité du domaine de fonctionnement. En conséquence, ces éléments ou tubes à écoulement laminaire assurent effectivement les fonctions de - 5 - dosage et de division du flux assurées jusqu'à présent par des vannes mécaniques ou fluidiques coûteuses. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: figure 1, un diagramme schématique d'un système de répartition de carburant de chambre de combustion de turbine à gaz construit selon une réalisation de la présente inven- tion; et figure 2 un diagramme schématique d'un système de LO répartition de carburant construit selon une autre réalisa- tion de la présente invention. En se référant à la réalisation du système de répartition de carburant représenté à la figure 1, du carbu- rant mis sous pression par une pompe convenable (non repré- sentée) est introduit, comme indiqué schématiquement en 10, dans un collecteur ou bloc de distribution 12 pour une répartition en parallèle via un ensemble de conduites de carburant, indiquées d'une manière générale en 14, à un ensemble correspondant d'injecteurs ou buses de carburant 0 classiques 16 disposés en un réseau dans un plan essentiel- lement vertical à la périphérie d'une chambre annulaire de combustion 18 dans un moteur à turbine à gaz. On notera que, en réalité, le nombre de conduites de carburant et d'injec- teurs est considérablement plus grand que les quatre illus- trés à la figure 1. Chaque conduite de carburant comporte un tuyau 20 et un tube 22 reliés bout à bout en relation de communication de fluide. Les tubes 22 sont de préférence tous de longueur et de diamètre intérieur uniformes, et donc les tuyaux 20, qui peuvent être des tuyaux classiques d'a- ) vion, sont nécessairement de longueurs variables pour tenir compte des distances variables des divers injecteurs 16 au bloc de distribution 12. Selon la présente invention, on choisit le dia- mètre des tubes 22 de manière à établir un écoulement lami- naire du carburant acheminé par chacune des conduites de -6- carburant 14. Comme cela est bien connu dans la mécanique des fluides, l'écoulement de fluide dans une conduite de section droite circulaire, par exemple, est soit laminaire soit turbulent selon le rapport de l'inertie aux forces de viscosité agissant sur le fluide. Ce rapport, qui se réduit à un nombre sans dimension traditionnellement connu comme le nombre de Reynolds (R), est exprimé comme suit: R PdV o Pest la masse volumique du fluide, d est le diamètre intérieur de la conduite, V est la vitesse axiale moyenne du fluide, et p est la viscosité du fluide. Pour des nombres de Reynolds en dessous d'environ 2300, l'écoulement du fluide est laminaire, tandis qu'au dessus d'environ 2300, l'écoule- ment du fluide est turbulent. Ainsi, en tenant compte de la masse volumique et de la viscosité du carburant, en incluant les variations de ces paramètres en fonction de la température, et le débit de carburant maximal voulu, on choisit le diamètre intérieur des tubes 22 de sorte que le nombre de Reynolds ne dépasse pas 2300 sur un domaine de conditions de fonctionnement de moteur approchant au moins la puissance maximale. Ces tubes à écoulement laminaire doivent avoir un alésage raisonnable- ment lisse pour assurer l'écoulement laminaire et peuvent être des tubes étirés d'un métal approprié tel que l'acier inoxydable ou l'INCO 6250 ou d'une matière plastique appro- priée telle que du Téflon . Le diamètre intérieur des tuyaux 20 est choisi pour être d'une dimension suffisamment grande, par exemple 4 fois plus grand ou plus que la dia- mètre des tubes à écoulement laminaire 22, pour imposer des pertes de charge négligeables à l'écoulement de carburant même à des débits maximaux de carburant. Selon la formule de Hagen-Poiseuille, la perte de charge (AP) dans un tube à écoulement laminaire est exprimée -7- comme suit: LP = 128 LQ rd4 o i est la viscosité du fluide, L est la longueur du tube, Q est le débit du fluide, et d est le diamètre intérieur du tube. De cette formule on déduit que la perte de charge est directement proportionnelle à la longueur du tube et au débit. Ainsi, en ayant choisi le diamètre intérieur du tube requis pour un écoulement laminaire, il reste à choisir la longueur de préférence uniforme pour les tubes à écoulement laminaire 22 calculée pour établir une relation équivalente entre la perte de charge et le débit de carburant dans chaque conduite de carburant 14 pour effectuer les fonctions de dosage de carburant et de division de l'écoulement requi- ses pour obtenir une répartition uniforme du carburant entre les divers injecteurs 16 sur la totalité du domaine de la mise en route à la puissance maximale. Un avantage supplémentaire obtenu en utilisant des tubes à écoulement laminaire 22 est que, comme indiqué ci-dessus, la perte de charge dans les conditions d'écoule- ment laminaire est directement proportionnelle au débit à la puissance un cependant que, comme cela est bien connu de la mécanique des fluides, dans des conditions d'écoulement turbulent, la perte de charge est directement proportion- nelle au débit à la puissance deux, c'est-à-dire au carré. On peut en déduire que, dans des conditions d'écoulement laminaire, de plus petites variations de perte de charge peuvent rattraper de grandes variations du débit, c'est-i- dire, en vertu de la relation linéaire entre la perte de charge et le débit dans des conditions d'écoulement lami- naire, une augmentation donnée de la perte de charge suppor- tera une augmentation directement proportionnelle du débit. En conséquence, on impose un fardeau moindre à la pompe de carburant pour accroître la puissance (débit de carburant), -8- ce qui devient un bénéfice important lorsque les moteurs turbine à gaz vieillissent. De plus, cet aspect a la poten- tialité de permettre l'accroissement de la puissance maxi- male du moteur dans une mesure limitée sans avoir à rem- placer une pompe de carburant existante. On notera que la pression statique de fluide de chaque injecteur de carburant 16 est la pression statique de fluide d'une colonne de fluide d'une hauteur égale à l'élé- vation de chaque injecteur par rapport à une référence commune. Ainsi la différence maximale de pression statique de fluide qui doit être vaincue pour éviter une mauvaise répartition du carburant est la différence d'élévation entre les injecteurs de carburant les plus hauts et les plus bas. En concevant un système de répartition de carbu- rant pour un moteur à turbine à gaz particulier il y a deux points principaux de conception à satisfaire sur la courbe de fonctionnement de la perte de charge requise en fonction du débit de carburant. Un est un point de conception de débit élevé de carburant qui correspond à une limite supé- rieure de perte de charge que la pompe de carburant doit pouvoir surmonter. L'autre est un point de conception de faible débit de carburant correspondant à une perte de charge minimale qui est néanmoins suffisante pour éviter une mauvaise répartition de carburant aux conditions de fonc- tionnement à faible puissance du moteur c'est-à-dire la mise en route et la marche au ralenti. En vertu des conditions d'écoulement laminaire imposées dans chaque conduite de carburant par les tubes à écoulement laminaire 22, on peut aisément faire passer la courbe de fonctionnement par ces points de conception de débit élevé et faible de carburant car c'est une ligne droite (la perte de charge étant propor- tionnelle au débit à la puissance un). En l'absence de ces tubes à écoulement laminaire, les conditions d'écoulement turbulent imposées par les injecteurs de carburant et tous orifices d'équilibrage incorporés dans les conduites de -9- carburant résulteraient en une courbe de fonctionnement exponentielle car, avec l'écoulement turbulent, la perte de charge est proportionnelle au débit à la puissance deux. Si on fait passer la courbe de fonctionnement exponentielle par le point de conception de débit élevé de carburant, les pertes de charge produites par tous les débits de carburant en dessous de ce point de conception sont nettement infé- rieures aux pertes de charge produites par des débits cor- respondants plus faibles dans des conditions d'écoulement laminaire (débit proportionnel à la racine carrée de la perte de charge pour l'écoulement turbulent contre débit proportionnel à la perte de charge pour l'écoulement laminaire). On voit aussi que, à de faibles débits de carbu- rant, il y a une perte de charge insuffisante dans des conditions d'écoulement turbulent pour vaincre la différence maximale de pression statique de fluide entre les injecteurs les plus hauts et les plus bas, et par conséquent des vannes de dosage et de division du flux de carburant sont néces- saires pour éviter une mauvaise répartition du carburant entre les injecteurs en imposant de façon commandable la perte de charge accrue requise. Au contraire, les tubes à écoulement laminaire 22 fournissent la perte de charge requises en eux et hors d'eux, et donc leur incorporation !5 dans chaque conduite de carburant est une solution éminem- ment pratique au problème de la mauvaise répartition du carburant aux faibles débits de carburant. Pour certaines applications aux moteurs il peut devenir nécessaire de recourir à une certaine adaptation de 0 la relation de la perte de charge en fonction du débit de carburant afin d'obtenir une répartition uniforme du carbu- rant aux divers injecteurs tout en adhérant à un programme prédéterminé de pression de carburant par rapport à la puissance de sortie. A cette fin, il est envisagé que chaque conduite de carburant 14 puisse incorporer au moins un orifice d'équilibrage qui est représenté en 24 sur la figure - 10 - 1 comme étant placé à ou immédiatement adjacent à l'entrée dans chaque conduite de carburant 14 depuis le bloc de distribution 12. Si on a besoin d'un orifice d'équilibrage supplémentaire, il peut être incorporé dans chaque tube à écoulement laminaire 22, comme indiqué dans un cas en 26. On notera que la présence de l'orifice d'équilibrage 26 créera une condition locale d'écoulement turbulent, cependant l'écoulement laminaire est restauré à une distance de plu- sieurs diamètres de tube en aval. Les endroits représentés des orifices d'équilibrage dans les conduites de carburant sont seulement donnés à titre d'illustration, car leurs positions ne sont pas critiques. Leur seule importance est la contribution de leurs caractéristiques de perte de charge à celles des tubes à écoulement laminaire dans le modelage d'une courbe d'écoulement de carburant pour satisfaire une application particulière. La figure 2 représente une autre réalisation de l'invention dans laquelle chaque conduite de carburant allant du bloc de distribution 12 aux injecteurs distincts 16 est entièrement constituée par un tube à écoulement laminaire 28. Pour les raisons données ci-dessus chaque tube est de préférence de la même longueur. La longueur de tube prescrite est déterminée par la distance entre le bloc de distribution et l'injecteur placé le plus loin, plus toute longueur supplémentaire nécessaire pour établir la caracté- ristique de perte de charge voulue. Les parties illustrées en tirets des tubes à écoulement laminaire menant à des injecteurs moins éloignés, indiquent des cheminement sinueux afin de réaliser cette longueur prescrite. Evidemment, ces cheminements sinueux doivent être réalisés avec des cour- bures plutôt faibles afin de ne pas y perturber de façon notable l'écoulement laminaire du carburant. Outre les bénéfices et avantages de l'invention mentionnés ci-dessus, on a trouvé que le diamètre intérieur des tubes à écoulement laminaire peut être tout à fait 2621079. i. - 11 - grand, par exemple 1,016 mm, comparé à tout orifice d'équi- librage inclu dans les conduites de carburant ayant des diamètres intérieurs qui ne sont pas supérieurs à 0,5334 mm, et par conséquent ces tubes sont virtuellement insensibles au colmatage par toutes impuretés dans le carburant. Pour cette raison, il est avantageux, si possible, de ne pas utiliser d'orifices d'équilibrage. Bien qu'on ait décrit l'invention avec des élé- ments à écoulement laminaire incorporés dans chaque conduite 0 de carburant sous la forme d'un tube, on doit comprendre que cet élément peut prendre d'autres formes et encore fournir la relation voulue de perte de charge en fonction du débit. Une telle alternative est un milieu poreux tel qu'un bloc métallique fritté. Cependlnt les milieux poreux souffrent du défaut évident d'être aisément colmatés par les impuretés du carburant. - 12 - REVENDICATIONS 1. Système de répartition de carburant pour une chambre de combustion (18) d'un moteur à turbine a gaz comprenant, en combinaison, un distributeur (12) pour rece- voir du carburant sous pression, un ensemble d'injecteurs de carburant (16), un ensemble correspondant de conduites de carburant (14), chaque conduite de carburant reliant un différent des injecteurs de carburant (16) suivant une relation de communication fluidique en parallèle au distri- buteur (12), système caractérisé en ce que chaque conduite de carburant (14) comporte un moyen d'établissement d'un écoulement laminaire du carburant (22), ces moyens (22) introduisant des pertes de charge dans les conduites de carburant (14) suffisantes pour assurer une répartition uniforme du flux de carburant passant par ces conduites de carburant (14). 2. Système selon la revendication 1 dans lequel au moins certains des injecteurs (16) sont situés dans des positions introduisant des pressions statiques de fluide différentes, et caractérisé en ce que chacun des moyens d'établissement d'écoulement laminaire (22) est sous la forme d'un élément d'établissement d'écoulement laminaire de carburant, ces éléments introduisant des pertes de charge suffisantes dans les conduites de carburant (14) pour com- penser les différences de pression statique de fluide des injecteurs (16) aux faibles débits de carburant. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments à écoulement laminaire (22) ont des caractéristiques équivalentes de perte de charge en fonction du débit de carburant. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément à écoulement laminaire (22) est sous la forme d'un tube à écoulement laminaire de section droite circulaire. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé - 13 - en ce que les tubes à écoulement laminaire (22) ont tous le même diamètre intérieur et la même longueur. 6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque conduite de carburant (14) comporte un de ces tubes à écoulement laminaire (22) et un tuyau (20) reliés bout à bout et en relation de couplage fluidique, ces tuyaux (20) ayant un diamètre intérieur plus grand que les tubes à écoulement laminaire (22). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tubes à écoulement laminaire (20) ont tous la même longueur et le même diamètre intérieur. 8. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un orifice d'équili- brage (26) incorporé dans chaque conduite de carburant (14). 9. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque conduite de carburant (14) est constituée entièrement par un tube A écoulement laminaire (22).