Brevet FR2632014A1 — publié le 19891201

Cette invention a trait à un injecteur de carburant et, en particulier, à un injecteur de carburant adapté à un moteur à turbine à gaz pour l'industrie. Les moteurs à turbine à gaz pour l'industrie et, en particulier, ceux prévus pour fonctionner sur place sont parfois appelés à fonctionner en utilisant comme fluide moteur primaire un mélange de carburant, d'air et de vapeur. L'utilisation d'un tel mélange peut entraîner une diminution de l'rémission d'oxydes d'azote des moteurs ainsi qu'une augmentation de la puissance des moteurs par rapport à ceux fonctionnant seulement grâce à du carburant et de rair. Parmi les difficultés présentées par l'utilisation de la vapeur d'eau, se trouvent l'établissement, en cours de fonctionnement, d'un passage propre entre l'alimentation en air uniquement et celle en air et en vapeur de l'appareil de combustion du moteur de même que l'élimination des fuites de vapeur d'eau autour des injecteurs de carburant du moteur. La présente invention a pour but de fournir un injecteur de carburant adapté à un moteur à turbine à gaz dans lequel de telles difficultés sont dans rensemble évitées. Conformément à la présente invention, un injecteur de carburant adapté à un moteur à turbine à gaz comprend. un corps principal ayant une extrémité amont et une extrémité aval, ladite extrémité amont étant en fonctionnement en communication avec une zone d'air à fortes pressions, ledit corps principal étant percé d'un ou plusieurs passages reliant lesdites extrémités amont et aval de façon à autoriser un écoulement d'air au travers du corps principal s'évacuant par ladite extrémité aval,. des moyens pour diriger du carburant dans ledit écoulement d'air de façon à le mélanger à l'air et. des moyens pour injecter de la vapeur d'eau situés aux abords de l'extrémité amont dudit corps principal, lesdits moyens pour injecter de la vapeur d'eau étant disposés et constitués de façon à autoriser en fonctionnement ledit écoulement d'air dans lesdits un ou plusieurs passages depuis ladite zone d'air -à fortes pressions et, à volonté, à envoyer de la vapeur d'eau au sein desdits un ou plusieurs passages, la surface totale d'échappement desdits moyens pour injecter de la vapeur d'eau étant inférieure à la surface totale d'admission desdits un ou plusieurs passages et la pression de la vapeur d'eau au niveau de réchappement desdits moyens pour injecter de la vapeur d'eau étant, lorsque de la vapeur d'eau s'en échappe, plus forte que la pression régnant en fonctionnement à l'intérieur desdits un ou plusieurs passages, si bien qu'au moins la plus grande partie de la vapeur d'eau ainsi envoyée pénètre dans lesdits un ou plusieurs passages. L'invention va à présent être décrite au moyen d'un exemple faisant référence aux dessins joints sur lesquels: - la figure 1 est une vue de côté en coupe d'un moteur à turbine à gaz comprenant une série d'injecteurs de carburant conformément à la présente invention; - la figure 2 est une vue de côté en coupe de la moitié supérieure d'un injecteur de carburant conformément à la présente invention. Selon la figure 1, un moteur à turbine à gaz portant le numéro d'ensemble 10 est constitué de façon conventionnelle et comprend, en série dans le sens de l'écoulement, une admission 11 d'air, une section 12 de compresseurs, un appareil 13 de combustion, une section 14 de turbines et une tuyère 15 d'échappement. Le moteur 10 à turbine à gaz fonctionne également de façon conventionnelle. L'air admis dans l'admission 11 est comprimé dans la section 12 de compresseurs avant de passer dans l'appareil 13 de combustion o il est mélangé avec du carburant et le mélange est brûlé. Les produits de combustion gazeux qui en résultent se détendent ensuite au travers de la section 14 de turbine (qui entraîne la section 12 de compresseurs grâce à un arbre 16) avant d'être évacués par la tuyère 15 d'échappement pour entraîner une turbine de puissance convenable (non représentée). L'appareil 13 de combustion comprend une série de chambres 17 de combustion, chacune d'elles étant munie d'un injecteur 18 de carburant. On peut voir plus clairement un injecteur 18 de carburant sur la figure 2. Il comprend un corps principal 19 et un injecteur 20 de vapeur d'eau disposé à l'extrémité amont du corps principal 19. Le corps principal 19 possède un axe 21 central et définit deux passages annulaires 22 et 23 de même axe que l'axe 21. Le passage 22 radialement le plus à l'intérieur est délimité par un noyau 24 présentant à l'aval une partie 25 évasée vers l'extérieur et par un ensemble intermédiaire 26 dont la partie 27 aval est également évasée vers l'extérieur. Les parties 25 et 27 aval évasées vers l'extérieur définissent pour le passage 22 un échappement 28 qui s'écarte de l'axe 21 central. L'ensemble intermédiaire 26 comporte un distributeur 29 qui est alimenté en fonctionnement grâce à des moyens conventionnels (non représentés) en carburant liquide. Une série de gicleurs 30 dans l'ensemble intermédiaire 26 expulsent ce carburant au sein du passage 22 radialement le plus intérieur. Le passage 23 radialement le plus extérieur est déterminé par l'ensemble intermédiaire 26 et par un ensemble extérieur 31. L'extrémité 32 aval de rensemble extérieur 31 est chanfreinée de façon à définir avec l'ensemble intermédiaire 26 un échappement 33 qui, comme l'échappement 28, s'écarte de l'axe 21 central. L'ensemble extérieur 31, l'ensemble intermédiaire 26 et le noyau 24 sont tous reliés par des aubes fixes appropriées (non représentées) qui s'étendent en travers des 3 76?32632014 passages 22 et 23 de façon à perturber le moins possible l'écoulement par les passages 22 et 23. L'ensemble extérieur 31 comporte un distributeur 34 qui est alimenté en fonctionnement grâce à des moyens (non représentés) en carburant gazeux. Une série de gicleurs 35 dans l'ensemble extérieur 31 expulsent ce carburant par l'extrémité 32 aval du corps principal 19 dans une direction s'écartant de l'axe 21 central. L'extrémité 36 amont du corps principal 19 se trouve dans une zone 37 du moteur 10 à turbine à gaz qui, comme cela peut être vu sur la figure 1, se trouve immédiatement à l'aval de la section 12 de compresseurs. Elle contient donc en fonctionnement de l'air à fortes pressions. Cet air à fortes pressions s'écoule par les passages 22 et 23 pour pénétrer au sein des chambres 17 de combustion par les échappements 28 et 33 des injecteurs de carburant. Lorsque le moteur 10 à turbine à gaz doit fonctionner avec du carburant liquide, du carburant est envoyé à l'intérieur du passage 22 radialement intérieur par les gicleurs 30 de sorte qu'il est divisé en gouttelettes par l'écoulement d'air dans le passage 22 intérieur. Le mélange carburant/air qui en résulte est ensuite évacué par l'échappement 28 au sein de la région convenable de la chambre 17 de combustion à la suite de quoi la combustion a lieu. Lorsque le moteur 10 à turbine à gaz doit fonctionner avec du carburant gazeux, l'écoulement du carburant liquide vers le distributeur 29 est arrêté et du carburant gazeux est envoyé au distributeur 34. Le carburant s'évacue du distributeur 34 par les gicleurs 35 après quoi il se mélange avec l'air.qui a été évacué par le passage 23 par l'échappement 33. Puis la combustion du mélange carburant/air qui en résulte se produit. Un distributeur 38 annulaire est prévu au niveau de l'extrémité 36 amont du corps principal 19 de l'injecteur 18 de carburant. Le distributeur 38 est disposé grâce à un bras 39 support sur l'axe 21 de l'injecteur 18 de carburant. Le bras 39 support définit un passage 40 qui relie l'intérieur 41 du distributeur 38 à une source (non représentée) de vapeur d'eau à fortes pressions. L'extrémité 42 aval du distributeur 38 de vapeur d'eau est ouverte et accueille l'extrémité 43 amont de l'ensemble intermédiaire 26. Ainsi collaborent-elles pour déterminer des échappements 44 et 45 radialement intérieur et extérieur respectivement servant à évacuer la vapeur d'eau du distributeur 38. Des aubes fixes 46 relient l'ensemble intermédiaire 26 et le distributeur 38 de vapeur d'eau afin de garantir le maintien de leurs positions relatives l'un par rapport à l'autre. Les échappements 44 et 45 du distributeur de vapeur se trouvent ainsi au niveau des extrémités aval des passages 22 et 23 respectivement s'étendant au travers du corps 4 26 3;632014 principal 19. Ils sont disposés de façon à diriger la vapeur au sein de ces passages 22 et 23. Les échappements 44 et 45 du distributeur de vapeur présentent chacun une surface de section plus petite que les extrémités amont des passages 22 et 23 auxquels ils font respectivement face. En outre, le distributeur 38 de vapeur est constitué et disposé de sorte que l'air à fortes pressions provenant de la région 37 du moteur à turbine à gaz peut s'écouler autour du distributeur 38 et au sein des passages 22 et 23. Lorsque le moteur 10 à turbine à gaz démarre et tourne jusqu'à sa vitesse normale de fonctionnement, seul de l'air provenant de la région 37 passe au travers des passages 22 et 23 et du carburant soit gazeux, soit liquide est utilisé selon la façon décrite plus haut. Toutefois, lorsque le moteur 10 à turbine à gaz a atteint une vitesse prédéterminée de fonctionnement, de la vapeur d'eau à fortes pressions est amenée par le passage 40 du bras 39 support au sein du distributeur 38 de vapeur associé'à chacun des injecteurs 18 de carburant. La vapeur à l'intérieur du distributeur 41 est à une pression totale supérieure à celle de l'air s'écoulant par les passages 22 et 23. Ainsi; la vapeur d'eau évacuée par les échappements 44 et 45 du distributeur s'écoule respectivement dans les passages 22 et 23 et non pas autour de l'extérieur du corps principal 19 de l'injecteur de carburant. Le volume de vapeur d'eau dirigé au sein des passages 22 et 23 est choisi de façon qu'à l'intérieur des passages 22 et 23, la teneur en air ne dépasse pas environ % du poids du mélange total air/vapeur d'eau présent dans les passages 22 et 23. De plus, les débits de vapeur et de carburant sont contrôlés à l'intérieur d'un domaine spécifique prédéterminé. On comprendra en conséquence que, lorsque de la vapeur est envoyée dans les passages 22 et 23 du corps principal, cette vapeur est le fluide prédominant dans ces passages. Il tient alors le rôle de l'air pour diviser le carburant en gouttelettes (lorsque du carburant liquide est utilisé). L'injection de vapeur d'eau au sein de la région de combustion primaire conduit à une réduction de l'émission d'oxydes d'azote et/ou permet une augmentation de la puissance du moteur. La disposition autorisant l'introduction de vapeur au sein de chacun des injecteurs 18 de carburant donne un moteur 10 capable de fonctionner grâce à un mélange vapeur et air. Mais, si de la vapeur n'était pas disponible, l'alimentation normale en air du brûleur pourrait être maintenue. 2632014 Revendications: 1.- Injecteur de carburant adapté à un moteur à turbine à gaz comprenant un corps principal ayant une extrémité amont et une extrémité aval, ladite extrémité amont étant en fonctionnement en communication avec une zone d'air à fortes pressions, ledit corps principal étant percé d'un ou plusieurs passages reliant lesdites extrémités amont et aval de façon à autoriser un écoulement d'air au travers dudit corps principal s'évacuant par ladite extrémité aval, des moyens pour diriger du carburant au sein dudit écoulement d'air de façon à le mélanger à l'air, caractérisé en ce que des moyens (20) pour injecter de la vapeur d'eau se trouvent aux abords de ladite extrémité amont dudit corps principal (19), lesdits moyens (20) pour injecter de la vapeuir d'eau étant disposés et constitués de façon à autoriser en fonctionnement ledit écoulement d'air au travers desdits un ou plusieurs passages (22, 23) depuis ladite zone d'air à fortes pressions et, à volonté, à envoyer de la vapeur d'eau au sein desdits un ou plusieurs passages (22, 23), la surface totale d'échappement desdits moyens (20) pour injecter de la vapeur d'eau étant inférieure à la surface totale d'admission desdits un ou plusieurs passages (22, 23) et la pression totale de la vapeur d'eau au niveau de l'échappement (44, 45) desdits moyens (20) pour injecter de la vapeur, lorsque de la vapeur d'eau s'en échappe, étant supérieure à la pression régnant en fonctionnement à l'intérieur desdits un ou plusieurs passages (22, 23) de sorte qu'au moins la majeure partie de la vapeur ainsi envoyée pénètre dans lesdits un ou plusieurs passages (22, 23). 2.- Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chacun desdits un ou plusieurs passages (22, 23) présente une section transversale en forme d'annulaire. 3.- Injecteur de carburant selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens (20) pour injecter de la vapeur présentent une forme annulaire. 4.- Injecteur de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités aval de chacun desdits un ou plusieurs passages (22, 23) sont évasées radialement vers l'extérieur et s'écartent de l'axe (21) longitudinal dudit injecteur (18) de carburant. 5.- Injecteur de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie dudit corps principal (19) dudit injecteur (18) collabore avec lesdits moyens (20) pour injecter de la vapeur afin de définir ledit échappement de vapeur desdits moyens (20) pour injecter de la vapeur. 6 2 6 32632014 6.- Injecteur de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit injecteur (18) est disposé de façon qu'une quantité suffisante de vapeur soit envoyée en fonctionnement à l'intérieur desdits un ou plusieurs passages (22, 23) pour que la teneur en air à l'intérieur desdits un ou plusieurs passages (22, 23) ne dépasse pas 20% en poids. 7.- Injecteur de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit corps principal (19) accueille intérieurement des moyens (30) pour envoyer du carburant au sein dudit écoulement d'air, lesdits moyens (30) étant adaptés à envoyer du carburant au sein d'un desdits un ou plusieurs passages (22, 23). 8.- Injecteur de carburant selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit injecteur (18) de carburant comporte deux desdits passages (22, 23) reliant lesdites extrémités amont et aval dudit corps principal (19) et en ce que des moyens (35) supplémentaires pour envoyer du carburant sont disposés à ladite extrémité aval dudit corps principal (19), lesdits moyens (35) supplémentaires étant adaptés à envoyer du carburant au sein de l'écoulement d'air s'échappant du passage (23) dans lequel du carburant n'est pas injecté par lesdits moyens (30).