Brevet FR2650339A1 — publié le 19910201

L'invention concerne des systèmes à turbines, et plus particulièrement un système à turbine comprenant des moyens destinés à favoriser l'oxydation complète de constituants & haute densité dans un courant comprenant des gaz de combustion dirigés vers une roue de turbine. Comme cela est bien connu, une combustion imparfaite de combustibles contenant du carbone peut avoir pour résultat la formation de particules de carbone ou de fumée en plus des gaz habituels de combustion qui peuvent comprendre du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'hydrogène moléculaire. La génération de fumée est évidemment indésirable et les particules de carbone sont de la même manière indésirables par le fait qu'elles érodent non seulement la tuyère, mais les ailettes de la roue de turbine, raccourcissant ainsi la durée de vie de la machine dans laquelle elles sont incorporées. Si de gros morceaux de carbone se forment, ils peuvent se loger dans la tuyère de la turbine, diminuant ainsi le rendement. Une autre accumulation de carbone peut apparaître dans la , tuyère elle-même et affecter l'efficacité du fonctionne- ment. Bien que ces difficultés concernent le fonctionnement de la plupart, sinon de la totalité, des systèmes à turbine, car une combustion parfaite, bien qu'étroitement approchée dans de nombreux cas, n'est en réalité jamais obtenue, elle risque particulièrement d'apparaître dans les cas o un certain craquage thermique du combustible peut se produire. La cessionnaire de la présente demande a proposé des systèmes dits à "chambre de combustion à énergie stockée" qui sont particulièrement avantageux dans des installations pour aéronefs, pour constituer un moyen par lequel un moteur à turbine peut être remis en marche à haute altitude et/ou des groupes générateurs auxiliaires et/ou d'urgence peuvent être connectés en de très courtes périodes de temps, même à des altitudes extrêmes. Dans des systèmes de ce type, une chambre de combustion, séparée de la chambre de combustion habituelle du moteur à turbine, est prévue et est alimentée en combustible provenant de la source habituelle de combustible, en même temps qu'un comburant provenant d'une source de comburant stocké. Habituellement, le comburant stocké peut être de l 'air comprimé, de l'air enrichi en oxygène comprimé ou même de l'oxygène moléculaire sous forme gazeuse ou liquide. Dans le cas habituel, un combustible et un comburant sont injectés à proximité immédiate l'un de l'autre à une extrémité d'une chambre de combustion et sont mis en réaction l'un avec l'autre pour générer des gaz de combustion. Ces gaz de combustion sont prélevés de la chambre de combustion et amenés finalement à une roue de turbine devant être entraînée. Entre temps, un combustible liquide additionnel est injecté en un point généralement rapproché de la sortie de la chambre de combustion. Ce combustible se vaporise lorsqu'il rencontre les gaz chauds de combustion de manière à augmenter le volume de gaz chauds utilisables pour entrainer la roue de turbine tout en refroidissant les gaz de combustion à une température convenant à une application à la roue de turbine. De plus, ce combustible injecté de façon secondaire, en rencontrant les gaz chauds de combustion, peut subir un craquage thermique car, comme cela est bien connu, un tel combus- tible est habituellement constitué d'hydrocarbures à longue chaine contenant sept ou plus de sept atomes de carbone. Un craquage thermique de ce type favorise la formation de carbone en particules dans le courant de matières qui comprennent les gaz de combustion sortant de la chambre de combustion, tandis que l'injection secondaire d'un combustible en aval de la zone de combustion peut aboutir à la présence d'hydrocarbures à chaine relative- ment longue, n'ayant pas réagi, dans un tel courant, lesquels hydrocarbures peuvent, par suite, apparaître à la sortie de l'ensemble du système sous forme de fumée. La présente invention vise a résoudre un ou plusieurs des problèmes ci-dessus. L'objet principal de l'invention est de fournir un système de turbine nouveau et perfectionné. Plus particulièrement, un objet de l'invention est de fournir un tel système de turbine dans lequel les problèmes provoqués par du carbone en particules et/ou des constituants de combustible hydrocarboné n'ayant pas réagi, à chaine relativement longue, dans un courant constitué princi- palement de gaz de combustion, peuvent être éliminés. Un exemple de réalisation de l'invention pour atteindre les objectifs c-idessus réside dans une structure comprenant une roue de turbine pouvant tourner-autour d'un axe. Une chambre de combustion comprend des moyens destinés à recevoir un combustible et un comburant et à brûler le combustible pour générer un courant qui comprend des gaz de combustion. La chambre de combustion comporte une sortie pour le courant. Un distributeur se trouve à proximité de la roue de turbine pour diriger le courant sur la roue de turbine afin de l'entraîner autour de son axe de rotation. Des moyens sont prévus pour relier la sortie au distri- buteur afin de diriger le courant de la sortie vers le distributeur. Conformément à l'invention, des moyens sont placés dans les moyens de liaison afin de recevoir le courant et de retenir au moins temporairement ses consti- tuants de densité relativement élevée afin que les constituants de densité plus faible du courant soient dirigés contre la roue de turbine. Du fait de la retenue au moins temporaire des constituants de densité plus élevée dans les moyens de liaison, ces constituants sont soumis à d'autres cons- tituants du courant et ont un temps de séjour accru dans l'ensemble du système avant d'être dirigés contre la roue de turbine. En conséquence, le temps de séjour accru provoque une réaction supplémentaire des constituants de densité plus élevée de manière que du carbone en particules soit oxydé pour donner du dioxyde de carbone ou du monoxyde de carbone, alors que des hydrocarbures à chaîne relative- ment longue sont soumis à une dissociation supplémentaire et/ou une oxydation. Une forme avantageuse de réalisation de l'invention prévoit que les moyens de retenue puissent fonctionner pour retenir des particules telles que des particules de carbone mentionnées précédemment. L'invention prévoit en outre que les moyens de retenue puissent fonctionner pour retenir du combustible n'ayant pas réagi ou n'étant que partiellement brûlé, c'est-à-dire des constituants de densité relativement élevée du courant. Dans une forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'invention, les moyens de retenue ont pour effet de séparer par centrifugation les constituants du courant ayant une densité plus élevée de la partie restante du courant et de retenir les constituants de densité plus élevée pendant un temps suffisant pour favoriser leur oxydation. Conformément à cette forme avantageuse de ralisation de l'invention, les moyens de retenue compren- nent une chambre élargie dans les moyens de liaison qui présente une sortie rétrécie. Des moyens sont prévus pour communiquer un mouvement tourbillonnant au courant avant que celui-ci n'atteigne la sortie rétrécie de la chambre afin de provoquer une. séparation des constituants de densité plus élevée par les forces -centrifuges qui résultent de ce tourbillonnement. Dans la forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'invention, la chambre présente un axe central et sa sortie rétrécie se trouve.sur l'axe central. Les moyens communiquant un mouvement tourbillonnant produisent un tourbillon autour de l'axe. Conformément a l'invention, les moyens communiquant un mouvement tourbillonnant peuvent s'étendre en travers de la chambre, globalement transversalement à l'axe, et comprennent des passages espacés radialement vers l'extérieur de l'axe. Les passages ont des composantes de direction & la fois circonférentielles et axiales pour communiquer un mouvement tourbillonnant au courant empruntant de tels passages.' L'invention envisage aussi que la sortie rétrécie soit disposée sur un côté des moyens communiquant un mouvement tourbillonnant et que la chambre comprenne une entrée de courant coaxiale avec la sortie rétrécie et sur le côté opposé des moyens communiquant un mouvement tourbillonnant. Les passages sont avantageusement placés à la périphérie de la chambre. Conformément à l'invention, des moyens faisant cesser le tourbillonnement peuvent être placés dans ou en aval de la sortie rétrécie. La forme préférée de réalisa- tion de l'invention prévoit que des moyens faisant cesser le tourbillonnement soient des ailettes relativement droites s'étendant globalement en travers de la sortie rétrécie. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un système à turbine selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie de moyens de retenue et de séparation utilisés dans l'invention; - la figure 3 est une vue développée avec coupe suivant approximativement la ligne 3-3 de la figure 2; et - la figure 4 est une vue en coupe suivant approximativement la ligne 4-4 de la figure 2. Un exemple de réalisation d'un système à turbine selon l'invention est illustré sur la figure 1 et on voit qu'il comprend une roue de turbine, désignée globalement en 10. Des moyens classiques, non représentés, portent la roue 10 de turbine afin qu'elle tourne sur un axe 12. Dans le cas habituel, la roue 10 de turbine est accouplée à un certain autre type de mécanisme, par exemple un compresseur ou bien, dans le cas d'un démarreur à turbine à air, un autre moteur à turbine afin qu'un mouvement de rotation autour de l'axe 12 puisse être utilisé pour le démarrage de l'autre moteur. Un distributeur 14 est disposé autour de la roue 10 de turbine pour y diriger les gaz de combustion afin de l'entraîner autour de l'axe. Lorsque la roue 10 de turbine fait partie d'un démarreur à turbine à air, le distributeur 14 peut également diriger de l'air comprimé contre la roue 10 de turbine. L'homme de l'art appréciera que, bien qu'une turbine radiale soit illustrée sur la figure 1, l'invention peut également s'appliquer à une turbine axiale. Dans une forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'invention, un système à énergie stockée, du type fabriqué par la cessionnaire de la présente demande, est utilisé. Un tel système d'énergie stockée est représenté schématiquement dans le cadre en trait tireté désigné globalement en 16 et on voit qu'il comprend une source de combustible 18, ainsi qu'un récipient 20 de stockage destiné à stocker un comburant qui peut se présenter sous la forme d'air, d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène moléculaire. Le système 16 comprend aussi une chambre 22 de combustion qui revoit un comburant du récipient 20 de stockage, ainsi qu'un combustible de la source 18 à une extrémité d'entrée 24 pour brûler ce combustible à l'intérieur de la chambre 22 de combustion. La chambre de combustion comporte, opposée à son extrémité d'entrée 24, une extrémité de sortie 26 et des moyens 28 peuvent être prévus pour injecter un combustible dans le courant de gaz de combustion sortant de la chambre de combustion par l'extrémité de sortie 26. Le système comprend une canalisation, désignée globalement en 30, reliant la sortie 26 de la chambre de combustion 22 au distributeur 14 afin que le courant comprenant les gaz de combustion soient dirigés de la chambre de combustion 22 vers le distributeur 14. La canalisation 30 renferme ce qui peut être appelé un ensemble combiné à piège et réacteur, désigné globalement en 32. Le piège/réacteur 32 est en fait une chambre élargie 34 située entre les extrémités de la -15 canalisation 30 et qui comporte une entrée 36 raccordée à la sortie 26 de la chambre de combustion 22, ainsi qu'une sortie 38 raccordée au distributeur 14. Le piège/réacteur est illustré en détail sur les figures 2 à 4 auxquelles on se référera à présent. On forme l'ensemble piège/réacteur 32 en utilisant l'entrée 36 d'un conduit à paroi relativement épaisse ou analogue et en soudant ou brasant une structure en forme de coupelle' à une extrémité 42 de ce conduit. La structure 40 en forme de coupelle comporte une bride 44 s'étendant radialement vers l'extérieur du conduit 36 et se terminant par une bride 46 dirigée axialement. Un chapeau 48 formé de façon similaire, mais de direction opposée, est soudé ou brasé sur l'extrémité 50 d'un conduit formant la sortie 38 et il comporte une bride 52 dirigée radialement vers l'extérieur, se terminant par une bride 54 dirigée axialement qui s'étend vers la bride 46. Les conduits définissant l'entrée 36 et la sortie 38 sont coaxiaux. Les deux brides 46 et 54 présentent des trous 56 et 58 alignés, orientés axialement, respectivement. Les trous 56 et 58 sont destinés à recevoir des vis 60. Les écrous 62 des rondelles 64 sont utilisés aux emplacements ilustrés pour fixer les structures en coupelles 40 et 48 en relation de butée étanche, comme illustré, pour définir la chambre élargie 34. De plus, la surface radialement intérieure de la bride 46 peut comporter un épaulement périphérique 66 au moyen duquel le bord. radialement extérieur 68 d'une plaque peut être pris contre l'extrémité de la bride 54. La plaque 70 est donc placée entre l'entrée 36 et la sortie 38 de la chambre élargie 34 et elle s'étend entièrement en travers de celle-ci, à peu près transversalement à l'axe 74 de la chambre élargie, lequel axe coincide avec les axes centraux des conduits définissant l'entrée 36 et la sortie 38. La plaque 70 sert de moyens communiquant un mouvement tourbillonnant, moyens par lesquels le courant de matière provenant de la chambre de combustion 22 et entrant par l'entrée 36 est amené à tourbillonner autour de l'axe 74. A cet effet, la périphérie extérieure 68 de la plaque 70 présente plusieurs gorges 76 s'ouvrant radialement vers l'extérieur (figures 2 et 3). Comme on peut le voir sur la figure 3, les gorges 76 s'étendent en partie circonféren- tiellement et en partie axialement. Enoncé autrement, elles peuvent être cônsidérees comme étant hélicoïdales à un certain degré et amènent le couraht de produit provenant de la sortie 26 de la chambre de combustion à se déplacer axialement de la gauche vers la droite, comme vu sur la figure 3, et dans le sens des aiguilles d'une montre en regardant le long de l'axe 74 vers la plaque 70, à partir de son côté de droite. Le tourbillon résultant, communiqué au courant, induit des forces centrifuges élevées qui peuvent, dans une installation habituelle, atteindre 750 000 "g". D'autres configurations de moyens communiquant un mouvement tourbillonnant peuvent être utilisées. En outre, le piege/réacteur 32 peut être assemblé par brasage ou soudage, ce qui permet de supprimer les vis 60 et certaines des diverses conformations qui guident les éléments les uns par rapport aux autres pendant l'as- semblage. En fonctionnement, toutes particules, telles que des particules de carbone, -sont projetées radialement vers l'extérieur contre la surface intérieure représentée en 78 de la bride 54, tandis que les constituants moins denses du courant sont déplacés radialement vers l'inté- rieur en direction de la sortie 38. Il en est de même de toutes gouttelettes de combustible non vaporisé aussi bien que vaporisé, sauf des constituants a haute densité du courant, tels que des molécules d'hydrocarbures a longue chaîne qui n'ont pas été craquées. Ces constituants sont retenus dans la position radialement extérieure illustrée tant que le courant contient des constituants moins denses qui peuvent se déplacer radialement vers l'intérieur en direction de la sortie 38. Etant donné que ces cons- tituants sont piégés dans la position radialement ex- térieure, mentionnée, qui est adjacente aux extrémités 80 des gorges 76, le courant continue d'atteindre ces constituants piégés. Par conséquent, en raison de la température élevée du courant ainsi que du fait que ce courant peut contenir en quantité de l'oxygène non combiné, le courant provoque une oxydation du carbone en particules pour former du monoxyde de carbone. De plus, les gouttelettes de combustible sont vaporisées et peuvent être oxydées. Des hydrocarbures a chaîne longue, tels que des hydrocarbures ayant 7 atomes de carbone ou plus et qui sont beaucoup moins denses que les produits habituels de combustion tels que le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l'hydrogène moléculaire et. la vapeur d'eau, sont également oxydés et, pendant que ceci a lieu, ils finissent par faire partie du courant de dioxyde de carbone, de monoxyde de. carbone, d'hydrogène moléculaire et de vapeur d'eau qui se dirige vers la sortie 38. Par conséquent, la chambre 34 sert de piège pour les composants de densité plus élevée et, de plus, de réacteur & temps de séjour variable. En particulier, le temps de séjour de ces constituants dépend du temps qu'il faut pour les oxyder en constituants moins denses, la retenue étant pratiquement "automatique", car elle est déterminée uniquement par la densité des constituants retenus. Il est inutile d'indiquer que le courant se dirigeant radialement vers l'intérieur sur le côté de droite de la plaque 70 continue de tourbillonner à son entrée dans la sortie 38. I1 peut être parfois souhaitable de supprimer le tourbillon du courant avant qu'il n'arrive au distributeur 14; un dispositif casse-tourbillon, désigné globalement en 82, est avantageusement placé dans la sortie 38 et, dans tous les cas, est disposé en amont du distributeur 14 vers l'aval de la chambre 34. Comme on peut le voir sur la figure 4, le dispositif casse-tourbillon 82 est composé de six ailettes allongées 84 reliées entre elles aux bords radialement intérieurs 86 et disposées à l'intérieur du tube menant à la sortie 38. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, les plaques 84 sont allongées. Les canaux droits, relativement longs, résultants entre les ailettes adjacentes 84 servent donc à éliminer le tourbil- lon du courant d'air, comme souhaite. Lorsque le dis- tributeur de la turbine peut accepter le courant tourbil- lonnant, le dispositif casse-tourbillon 82 peut être éliminé. On appréciera, d'après ce qui précède, qu'un système à turbine réalisé conformément à l'invention convient de façon idéale à la suppression des particules de carbone et/ou des hydrocarbures combustibles à chaine relativement longue présents, du courant de matières fourni à une roue de turbine pour l'entraîner. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un système dit "système à énergie stockée", on appréciera aisément que, lorsque l'on a pour souci d'éliminer des particules de carbone et/ou de la fumée de l'échappement d'une turbine, la combinaison piège/réacteur de l'invention peut être incorporée dans la canalisation entre tout type de chambre de combustion et une roue de turbine entraînée par le courant de matière qui en provient, que la chambre de combustion soit conçue ou non pour brûler un combustible avec un'comburant stock é,ou simplement un comburant qui lui est fourni par un compresseur entraîné par la roue de turbine. - Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système à turbine décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système à turbine, caractérisé en ce qu'il comporte une roue de turbine (10) pouvant tourner autour d'un axe (12), une chambre de combustion (22) comprenant des moyens (24) destinés à recevoir un combustible et un comburant pour celui-ci et à brûler le combustible pour générer un courant comprenant des gaz de combustion, la chambre présentant aussi une sortie (26) pour ce courant, le système comprenant en outre un distributeur (14) proche de la roue de turbine et destiné & diriger le courant sur ladite roue de turbine pour l'entraîner autour dudit axe, des moyens (30) reliant la sortie au distributeur pour diriger le courant de la -sortie vers le distributeur, et des moyens (32) situés dans les moyens de liaison, destinés à recevoir le courant et à retenir au moins temporairement les constituants de densité supérieure de ce courant afin que seuls les constituants de densité inférieure du courant soient dirigés contre la roue de turbine. 2. Système à turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de retenue interviennent de façon à retenir des particules se trouvant dans le courant. 3. Système à turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de retenue ont pour effet de retenir du combustible n'ayant pas réagi ou qui n'est que partiellement brûlé. 4. Système à turbine, caractérisé en ce qu'il comporte une roue de turbine (10) pouvant tourner autour d'un axe (12), une chambre de combustion (22) comprenant des moyens (24) destinés à recevoir un combustible et un comburant pour celui-ci, et à brûler le combustible pour générer un courant comprenant des gaz de combustion, la chambre comportant aussi une sortie (26) pour le courant, le système comportant en outre un distributeur (14) proche de la roue de turbine pour diriger le courant sur cette roue de turbine afin de l'entraîner autour dudit axe, des moyens (30) reliant la sortie au distributeur afin de diriger le courant de la sortie vers le distributeur, et des moyens (32) situés dans les moyens de liaison et destinées à séparer par centrifugation les constituants de densité plus élevée du courant de la partie restante dudit courant et à retenir les constituants de densité plus élevée pendant un temps suffisant pour favoriser leur oxydation. 5. Système à turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de retenue comprennent une chambre élargie (34) située dans les moyens de liaison et ayant une sortie rétrécie (38), et des moyens (76) destinés à communiquer un mouvement tourbillonnant au courant avant que celui-ci n'atteigne la sortie rétrécie de la chambre. 6. Système à turbine selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre possède un axe central (74) sur lequel se trouve la sortie rétrécie, les moyens, qui communiquent un mouvement tourbillonnant, produisant un tourbillon autour dudit axe. 7. Système à turbine selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens communiquant un mouvement tourbillonnant s'étendent en travers de la chambre, à peu pres transversalement à l'axe et comprennent des passages (76) espacés radialement vers l'extérieur de l'axe, ces passages ayant des composantes de direction circonféren- tielles et axiales. 8. Système à turbine selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie rétrécie se trouve sur un premier côté des moyens communiquant un mouvement tourbil- lonnant et]a chambre comporte une entrée (36) de courant, coaxiale à la sortie rétrécie et sur le côté opposé desdits moyens communiquant un mouvement tourbillonnant. 9. Système à turbine selon la revendication 7, caractérisé en ce que les passages sont à la périphérie. de la chambre. 10. Système à turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (82) casse-tourbillon disposés dans la sortie rétrécie. 11. Système à turbine selon la revendication , caractérisé en ce que les moyens casse-tourbillon comprennent des ailettes relativement droites (84) s'étendant globalement en travers de la sortie rétrécie. 12. Système à turbine, caractérisé en ce qu'il comporte une roue de turbine (10) pouvant tourner autour d'un axe (12), une chambre de combustion (22) comprenant des moyens (24) destinés à recevoir un combustible et un comburant pour celui-ci et à brûler le combustible pour générer un courant comprenant des gaz de combustion, la chambre de combustion comportant aussi une sortie (26) pour le courant, le système comportant en outre un distributeur (14) proche de la roue de turbine afin de diriger le courant sur la roue de turbine pour entrainer celle-ci autour dudit axe, des moyens (30) reliant la sortie au distributeur pour diriger le courant de la sortie vers le distributeur, et une chambre élargie (34) située dans les moyens de liaison et ayant une sortie rétrécie (38), globalement centrale, des moyens (76), situés dans le système, étant destinés à provoquer un tourbillonnement du courant à l'intérieur de la chambre en amont de la sortie rétrécie, et un dispositif casse-tourbillon (82) étant placé. en aval de la sortie rétrécie et en amont du distributeur. 13. Système à turbine selon la revendication 12, caractérisé en ce que les-moyens amenant le- courant à tourbillonner sont disposés à l'intérieur de la chambre élargie.