Brevet FR2678714A1 — publié le 19930108

FOYER DE STATOREACTEUR A POLLUTION REDUITE. La présente invention concerne un statoréacteur du type comportant un canal d'écoulement des gaz délimité par au moins une paroi et dans lequel pénètre un comburant, des moyens pour pulvé- riser du carburant dans ledit canal et des moyens d'alimentation du carburant. Des exemples de réalisation de foyers de combustion pour statoréacteur sont illustrés notamment par les documents FR-2 634 005, FR-1 605 526, US-2 840 990 et US-2 931 175. FR-2 634 005 montre un statoréacteur supersonique compor- tant des injecteurs de carburant de pilotage et des injecteurs additionnels situés en aval Les injecteurs de carburant de pilo- tage comportent une zone de recirculation subsonique dans laquelle le carburant est brûlé d'une manière stoechiométrique. FR-1 605 526 montre un statoréacteur dans lequel la com- bustion se fait en écoulement supersonique en amont d'un diffuseur. Dans US-2 840 990, la combustion est répartie en foyers disposés suivant plusieurs étages. US-2 931 175 décrit un statoréacteur dont les foyers de combustion sont équipés de deux injecteurs. Dans toutes les structures connues de statoréacteurs, il n'est pas prévu de moyens permettant de diminuer la production des émissions polluantes et notamment la production d'oxyde d'azote. Cet oxyde d'azote s'obtient essentiellement lorsque l'on brûle le carburant d'une manière stoechiométrique. En revanche, il est connu que l'on peut diminuer la pro- duction d'oxyde d'azote en réalisant une première combustion d'un mélange riche en carburant dans une chambre de combustion et en diluant rapidement les gaz chauds issus de cette chambre de combus- tion avec un deuxième flux de comburant pour obtenir un mélange pauvre On réalise alors un phénomène analogue à une "trempe ther- mique" qui arrête brusquement les réactions chimiques génératrices d'oxyde d'azote Ce concept a déjà été mis en application dans les turboréacteurs, mais il n'a jamais été appliqué dans les stato- réacteurs Or, ces derniers moyens de propulsion seront utilisés pour équiper des avions volant à grande vitesse (Mach 5) et à très haute altitude ( 25 000 m) o la pollution est un problème critique. Le but de la présente invention est de proposer un stato- réacteur dont le foyer produise une pollution réduite. Le but est atteint selon l'invention par le fait que le statoréacteur présente l'ensemble des caractéristiques suivantes: a) les moyens de pulvérisation du carburant sont prévus sur une pluralité de modules d'injection disposés dans le canal d'écoulement des gaz et régulièrement espacés dans un plan perpen- diculaire au trajet des gaz, b) lesdits modules comportent chacun un voile évasé dans le sens de l'écoulement des gaz, dans la partie amont duquel sont ménagés des orifices d'entrée d'un premier flux de comburant, et ils sont disposés de manière à ménager entre lesdits voiles un espace par lequel circule un deuxième flux de comburant, c) les moyens de pulvérisation de carburant injectent du carburant dans le premier flux de comburant, de manière à réaliser un mélange très riche qui subit une première combustion dans le volume délimité par lesdits voiles, d) lesdits voiles présentent une forme extérieure permet- tant une dilution rapide des gaz issus de la première combustion dans le deuxième flux de comburant immédiatement à la sortie desdits voiles pour réaliser un mélange pauvre qui est brûlé en aval desdits modules. Avantageusement, chaque module d'injection comporte des moyens permettant de propager la flamme vers les modules voisins, des moyens de protection thermique de la paroi d'écoulement des gaz et des moyens pour assurer son refroidissement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, dans lequel: la figure 1 représente une coupe schématique d'une partie d'un statoréacteur selon un premier mode de réalisation, la figure 2 est une vue frontale selon la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue en perspective du module d'injection de carburant de la figure 1, la figure 4 représente une coupe schématique d'un statoréacteur selon un deuxième mode de réalisation, la figure 5 est une vue frontale selon la ligne V-V de la figure 4, la figure 6 est une vue en perspective du module d'injection de carburant de la figure 4, la figure 7 est une coupe axiale du module d'injection de la figure 4. Le dessin montre un statoréacteur 1 comportant un canal d'écoulement des gaz 2 dans lequel pénètre un comburant, des moyens 3 pour pulvériser du carburant dans le canal 2 et des moyens d'ali- mentation du carburant, non représentés sur le dessin Le canal 2 est de forme annulaire et entoure un noyau 4 Il est délimité exté- rieurement par une paroi 5. Les moyens 3 pour pulvériser le carburant sont disposés sur une pluralité de modules d'injection 6 fixés à la paroi 5 et régulièrement répartis dans un plan perpendiculaire à l'axe géomé- trique 7 du canal 2. Chaque module 6 est constitué essentiellement d'un voile 8 évasé dans le sens de l'écoulement des gaz dans le canal 2 Le voile 8 comporte du côté amont du canal 2 des orifices d'entrée 9 d'un premier flux de comburant FI Les modules 6 sont disposés dans le canal 2 de manière à ménager entre les voiles 8 un espace 10 par lequel circule un deuxième flux de comburant F 2 Les moyens de pul- vérisation de carburant 3 injectent du carburant dans le premier flux de comburant F 1 de manière à réaliser dans le volume délimité par les voiles 8 un mélange très riche en carburant qui subit une première combustion dans ledit volume. A la sortie des voiles 8, les gaz issus de la première combustion sont dilués dans le deuxième flux de comburant F 2, de manière à réaliser un mélange pauvre qui est brûlé en aval des modules 6 Pour favoriser une dilution rapide, les voiles 8 pré- sentent des nervures 11 sur leur face extérieure Cette disposition permet de diminuer le volume des zones stoechiométriques produc- trices d'oxydes d'azote. De manière à favoriser la propagation des flammes d'un module 6 à l'autre, chaque voile 8 présente des gorges 12 ouvertes du côté de la sortie des gaz et s'étendant vers les modules voi- sins, chaque gorge 12 d'un module 6 rejoignant la gorge correspon- dante du module voisin. Le module 6 comporte de plus des pattes 13 munies de moyens de fixation sur la paroi 5 Le carburant liquide ou gazeux destiné à alimenter les moyens de pulvérisation 3 transite par des canalisations 14 ménagées dans les pattes 13 et la paroi du voile 8, ce qui permet d'assurer le refroidissement des modules 6 Par mesure de sécurité, chaque module 6 est mécaniquementt et hydrauli- quement indépendant de ses voisins. Pour protéger la paroi 5 de la chaleur dégagée par la combustion, il est prévu sur chaque module 6 une chemise de protec- tion thermique 15 qui s'étend parallèlement à la paroi 5. Les figures 1 à 3 montrent un statoréacteur équipé de modules d'injection 6 de type accroche-flamme. Les figures 4 à 7 montrent un statoréacteur équipé de modules d'injection de type aérodynamique dans lequel les orifices d'entrée 9 du premier flux de comburant Fl sont pourvus d'un induc- teur à turbulence 16. Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus, on choisit de préférence les paramètres suivants: le pourcentage d'air Fl transitant dans les modules 6, par rapport à l'air total pénétrant dans le canal 2, est voisin de %, le rapport d'équivalence du mélange très riche est voisin de 2, le pourcentage d'air réservé au refroidissement de la paroi 5 est voisin de 5 %, le pourcentage d'air F 2 utilisé pour la dilution rapide des gaz issus de la première combustion est voisin de 70 %. Avec ces paramètres, le rapport d'équivalence global est voisin de 0,45. A une altitude de 25 000 m et à une vitesse de vol de mach 5, il est établi qu'à l'entrée du foyer la vitesse de l'air est de mach 0,3, la température de 1 3000 K et la pression de bars La température des gaz à la sortie du foyer est alors de 2 3000 K. REVENDICATIONS 1 Statoréacteur du type comportant un canal d'écoulement des gaz ( 2) délimité par au moins une paroi ( 5) et dans lequel pénètre un comburant, des moyens ( 3) pour pulvériser du carburant dans ledit canal ( 2) et des moyens d'alimentation du carburant, caractérisé en ce que: a) les moyens de pulvérisation ( 3) du carburant sont prévus sur une pluralité de modules d'injection ( 6) disposés dans le canal d'écoulement des gaz ( 2) et régulièrement espacés dans un plan perpendiculaire au trajet des gaz, b) lesdits modules ( 6) comportent chacun un voile ( 8) évasé dans le sens de l'écoulement des gaz, dans la partie amont duquel sont ménagés des orifices d'entrée ( 9) d'un premier flux de comburant (Fl), et ils sont disposés de manière à ménager entre lesdits voiles ( 6) un espace ( 10) par lequel circule un deuxième flux de comburant (F 2), c) les moyens de pulvérisation ( 3) de carburant injectent du carburant dans le premier flux de carburant de manière à réa- liser un mélange très riche qui subit une première combustion dans le volume délimité par lesdits voiles ( 8), d) lesdits voiles ( 8) présentent une forme extérieure permettant une dilution rapide des gaz issus de la première combus- tion dans le deuxième flux de comburant (F 2) à la sortie immédiate desdits voiles ( 8) pour réaliser un mélange pauvre brûlé en aval desdits modules ( 6). 2 Statoréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les modules ( 6) comportent des moyens permettant de propager la flamme d'un module ( 6) aux autres. 3 Statoréacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de propagation de flamme sont constitués par des gorges ( 12) prévues dans lesdits voiles ( 8) et ouvertes du côté de la sortie des gaz. 4 Statoréacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les modules ( 6) présentent des moyens de protection thermique de la paroi ( 5) du canal d'écoule- ment des gaz ( 2). Statoréacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de protection thermique comportent une chemise de protection ( 15) disposée parallèlement à ladite paroi ( 5). 6 Statoréacteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les modules ( 6) comportent des moyens de refroidissement des voiles. 7 Statoréacteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement sont constitués par les canalisations d'alimentation ( 14) de carburant.