Brevet FR2695191A1 — publié le 19940304

y "Brûleur pour propulseurs à turbines à gaz". L'invention concerne un Brûleur pour propul- seurs à turbines à gaz dans lequel, à une buse de car- burant, est associé coaxialement un dispositif de gi- ration annulaire, qui comporte entre des profilés ré- partis sur la périphérie, des canaux tangentiels pour une alimentation réglable en air de combustion. Dans les brûleurs et les conceptions de chambre de combustion modernes pour des propulseurs à turbines à gaz, on recherche une combustion pauvre en substances nocives Il s'est avéré qu'une réduction notable des émissions de substances nocives est obte- nue dans la zone primaire pour une température de com- bustion relativement basse inférieure à 1900 K grâce à une quantité d'air relativement élevée par rapport au carburant alimenté. Des émissions relativement réduites de sub- stances nuisibles supposent en outre, entre autres, une préparation uniforme du mélange carburant/air de- vant être amenée à la zone primaire ainsi qu'un bon taux de combustion complète Ceci notamment selon les brûleurs connus par le document DE-24 42 895, qui fonctionnent avec soutien d'air en tant que "système basse pression" avec une qualité de pulvérisation de carburant élevée et une évaporation de carburant en partie côté paroi et en partie aérodynamique Ce cas connu ne prévoit toutefois pas de dispositifs de gira- tion réglables en ce qui concerne le débit d'air, pour maîtriser avec aussi peu de substances nocives que possible différents états de fonctionnement relative- ment aux débits de carburant et d'air variables néces- saires à cet effet. En outre, des concepts de chambre de combus- tion qui, pour permettre une combustion pauvre en sub- stances nocives, prévoient une "géométrie de chambre variable" pour amener l'air de combustion et éventuel- lement l'air de mélange par l'intermédiaire de trous de bande perforée susceptibles d'être commandés en section transversale, en ce que des tronçons tubulai- res de l'enveloppe du tube de flamme de la chambre de combustion sont susceptibles de coulisser les uns par rapport aux autres en direction axiale ou bien en di- rection périphérique, sont d'une construction coûteuse d'une technique complexe ainsi que sujet au dérange- ment et chers. Par le document EP-C-0251895, on connaît une chambre de combustion annulaire pour un propulseur à turbines à gaz dans laquelle, pour une combustion pau- vre en substances nocives, un dispositif de giration "externe" réglable en ce qui concerne l'alimentation - d'une partie de l'air de combustion, doit être associé à chaque brûleur Dans ce cas connu, le réglage s'ef- fectue au moyen d'un diaphragme susceptible de tourner à l'extérieur en direction périphérique sur un corps central et qui comporte à des ouvertures réparties sur la périphérie, des ailettes qui font saillie en lon- gueur, seulement en partie, dans des ajours ra- diaux/tangentiels du corps central de façon que ces ailettes, dans des positions intermédiaires du dia- phragme aient respectivement une position angulaire S 'écartant des ajours Dans les positions intermédiai- res qui sont valables pour le réglage, il en résulte une conformation du canal divergent en direction de l'écoulement, étranglant l'écoulement de l'air à l'en- trée, et qui s'élargit brusquement en aval du bord ar- rière de l'ailette en direction d'une sortie de grande surface du canal La composante respective périphéri- que de l'écoulement à la sortie correspondante d'un ajour est alors nettement affaiblie à la façon d'un ii écoulement de diffuseur se décollant,, si bien que l'effet de giration nécessaire est altéré de façon non négligeable Ceci est un inconvénient important pour la formation nécessaire d'une turbulence uniforme sur l'ensemble des états de fonctionnement et de la com- bustion uniforme, stable ainsi que pauvre en substan- ces nocives qui l'accompagnent. L'invention a pour but de proposer un brû- leur du type initialement mentionné dans lequel au moins un dispositif de giration permet d'obtenir d'une façon relativement simple sur une grande étendue de réglage, le débit d'air nécessaire pour une combustion uniforme et pauvre en substances nocives en maintenant un tourbillon giratoire constamment sous la même f or- me. Ce but est atteint en ce que les profilés sont constitués par des parties corres- pondantes de pièces constitutives mobiles l'une par rapport à l'autre, chaque partie d'un profilé est un corps creux dans lequel est en prise de façon mobile l'autre partie correspondante. Selon d'autres caractéristiques de l' inven- tion sur une pièce constitutive est dispose l'ensemble des parties réalisées en forme de corps creux des profilés. l'une des pièces constitutives est mainte- nue fixe sur la chambre de combustion, tandis que l'autre pièces constitutive est disposée sur la buse de carburant ou bien sur un support de buse de façon à pouvoir coulisser axialement. la pièce constitutive maintenue fixe sur la chambre de combustion, comporte exclusivement les parties des profilés réalisées sous la forme de corps creux. les deux pièces constitutives présentent une symétrie de révolution par rapport à l'axe de la buse ou du brûleur et revêt essentiellement la forme de disques annulaires et/ou de douilles. les deux pièces constitutives forment avec les parties des profilés des canaux variables carrés ou rectangulaires avec des sections transversales d'é- coulement restant constantes sur toute leur longueur. la buse de carburant est susceptible d'ê- tre déplacée axialement par rapport aux deux parties constitutives. les profilés ont une section transversale en forme de coin ou de triangle ou bien une section transversale en forme d'aube. au dispositif de giration réglable, est associé au moins un autre dispositif de giration fixe de façon à produire dans la zone primaire des tourbil- lons de giration tournant dans le même sens ou dans des sens opposés. le dispositif de giration règle par dépla- cement axial le débit d'air en fonction de l'état de charge du propulseur. le dispositif de giration règle par dépla- cement axial le débit d'air en fonction de l'évolution locale de la température et/ou de la pression dans la chambre de combustion. Selon l'invention, les parties qui forment les profilés font saillie axialement sur les faces frontales placées l'une en face de l'autre des deux pièces constitutives éventuellement en forme d'anneaux ou bien en forme de disques annulaires De préférence, les parties profilées revêtant la forme de corps creux peuvent être à paroi relativement mince et avoir une forme cependant s'adaptant de façon précise à la géo- métrie externe des parties profilées, susceptibles d'être introduites axialement dans le profilé creux, de l'autre pièce constitutive Dans le cas de l'inven- tion, il se produit lors du déplacement relatif prati- quement un prolongement ou un raccourcissement axial du profilé avec cet avantage essentiel que les évide- ments situés en face des uns des autres entre les par- ties profilées, forment des sections transversales susceptibles d'être augmentées ou réduites axialement des canaux de giration, de sorte que dans toutes les positions, on a sur toute la longueur du canal des sections transversales d'écoulement maintenues en principe constantes Le tracé de la paroi frontale de la partie en forme de corps creux faisant légèrement en saillie dans les positions intermédiaires ou dans la position terminale d'ouverture complète ne consti- tue pas une "chicane" aérodynamique notable Dans le cas de l'invention, il est formé des canaux de gira- tion avec des sections transversales carrées ou rec- tangulaires respectivement ininterrompues Il existe la possibilité de réaliser les parties profilées et donc les profilés et les canaux de giration courbés radialement/tangentiellement en direction périphéri- que. Les défauts aérodynamiques remarqués pour les dispositifs connus, ne se produisent ni à l'entrée ni à la sortie Malgré le réglage au sens d'une modi- fication du débit d'air, il y a un profilé de vitesse uniforme sur la périphérie côté sortie. Du fait des caractéristiques indiquées, l'é- coulement giratoire et donc la géométrie du tourbillon giratoire souhaité qui est co-responsable pour une préparation optimale du mélange carburant/air n'est pas altéré dans les différentes positions intermédiai- res. Avec le dispositif de giration réglable, la totalité ou une partie notable de l'air primaire né- cessaire pour une combustion pauvre en substances no- cives peut être alimentée Le dispositif de giration est susceptible d'être réglé pour le débit relative- ment petit et des quantités d'air relativement gran- des. Selon une forme de réalisation avantageuse, l'invention permet la combinaison d'au moins un dispo- sitif de giration susceptible d'être commandé ou réglé avec un dispositif de giration fixe, qui délivre pour l'ensemble des états de fonctionnement une alimenta- tion en air constante, tandis que l'alimentation en carburant varie selon l'état de charge, auquel cas, il est alors "superposé" aux états de fonctionnement va- riables une alimentation en air qui en adaptation à ces différents états de fonctionnement, assure le be- soin en air correspondant à une combustion pauvre en substances nocives Ce besoin en air mentionné en der- nier lieu peut par exemple être réglé en fonction d'u- ne température et/ou d'une pression croissante dans la chambre de combustion L'invention inclut la possibi- lité, dans des états déterminés du propulseur, ainsi que selon la conception et le spectre de mise en oeu- vre du propulseur, donc lors de l'allumage et de la mise en route ainsi qu'éventuellement pour une pleine 7 j charge extrême, d'avoir une combustion par exemple stoechiométrique et de façon prépondérante en vol de croisière, d'avoir une combustion riche en air et en conséquence pauvre en substances nocives. Les moyens ou bien les dispositifs de gira- tion concernés peuvent produire des tourbillons gira- toires ou bien des tourbillons de mélange d'air tour- nant à peu près dans le même sens ou dans le sens in- verse par rapport à l'axe du brûleur ou de la buse. L'invention va être exposée plus en détail à titre d'exemple à l'aide des dessins ci-joints qui montrent: A la figure 1 une coupe longitudinale média- ne d'un tronçon de tube de flamme tronqué, avec la moitié supérieure du dispositif de giration sur la buse de carburant dans une première position terminale avec la section transversale totale d'écoulement la plus petite des canaux de giration (voir également fi- gure 3). A la figure 2 une représentation en coupe selon la figure 1 dans laquelle le dispositif de gira- tion est toutefois représenté dans une seconde posi- tion terminale avec la section transversale totale d'écoulement la plus grande des canaux de giration (voir également figure 4). A la figure 3 une vue de dessus partielle, développée dans le plan du dessin et représentée sché- matiquement du dispositif de giration dans la première position terminale de la figure 1. A la figure 4 une vue de dessus partielle, développée dans le plan du dessin et schématiquement représentée du dispositif de giration dans la seconde position terminale selon la figure 2. A la figure 5 une section transversale péri- phérique partielle du dispositif de giration dans la première position terminale de la figure 3, mais tou- tefois par rapport à cette figure 3, une représenta- tion plus réelle des parties profilées essentiellement en forme de coins constituant les corps creux de l'une des pièces constitutives, classée à droite sur la fi- gure 1 ou sur la figure 3, avec, placées à l'inté- rieur, les parties profilées de l'autre pièce consti- tutive placée à gauche sur la figure 1 ou sur la figu- re 3. A la figure 6 une coupe longitudinale média- ne de l'extrémité de tête, tronquée côté tube de flam- me, d'une chambre de combustion avec un brûleur qui, en association avec une buse de carburant centrale, comporte la combinaison d'un dispositif de giration réglable avec un autre dispositif de giration fixe. Selon la figure 1, dans un brûleur d'un pro- pulseur à turbines à gaz, un dispositif de giration 2 de forme annulaire est associé coaxialement à une buse de carburant 1 Dans ce cas, une partie de l'air pré- levé à l'extrémité du compresseur s'écoule selon la flèche D en tant qu'air primaire tout d'abord en di- rection axiale dans un espace annulaire 3 formé en amont de l'extrémité de tête de la chambre de combus- tion Par l'intermédiaire de l'espace annulaire 3, l'air primaire D ainsi alimenté, est amené à partir du haut et de l'extérieur en direction radiale au dispo- sitif de giration 2 en passant au-dessus de la pièce constitutive 10 fermée frontalement et après déviation selon la direction de la flèche D' L'espace annulaire 3 est ménagé entre le capot de fermeture 4 ainsi que, vu de la gauche vers la droite, un tronçon de la buse de carburant 1, le dispositif de giration 2 et la pa- roi arrière 5 du tube de flamme 6 de la chambre de combustion. Comme on peut le reconnaître notamment a 9 Y partir de la position terminale complètement ouverte selon la figure 4, les profilés 7 uniformément répar- tis sur la périphérie, du dispositif de giration 2 sont formés de parties correspondantes 8, 9 qui font respectivement en saillie axialement des surfaces frontales placées en face l'une de l'autre de deux pièces constitutives en forme de disques annulaires , 11 Dans ce cas, une partie 9 d'un profilé 7 revêt la forme d'un corps creux (voir également figure 5), dans lequel l'autre partie 8 peut être introduite plus ou moins loin en direction axiale Les parties 8 vien- nent ainsi en prise en se déplaçant axialement dans les autres parties 9 Lors du déplacement axial d'au moins une partie constitutive 10, des canaux de gira- tion K (fig 3) ou K' (fig 4) radiaux/tangentiels respectivement variables, peuvent être ainsi réglés entre les profilés 7 avec leurs sections transversales d'écoulement, dans ce cas rectangulaires, restant constantes sur toute la longueur de ces canaux Dans la position terminale selon la figure 3, les parties 8, 9 des profilés 7, sont complètement emboîtées axia- lement les unes dans les autres, de sorte que les ca- naux de giration respectifs K forment la section transversale totale d'écoulement la plus petite possi- ble du dispositif de giration, contrairement à la po- sition terminale selon la figure 4, dans laquelle les canaux de giration K' correspondent à la section transversale d'écoulement total la plus grande possi- ble. Contrairement à l'exemple de réalisation, notamment selon les figures 3 et 4, un agencement se- rait possible dans le cadre de l'invention, agencement dans lequel sur chaque côté frontal d'une pièce cons- titutive 10 ou bien 11, des corps creux et des profi- lés pleins se succéderaient de façon continue en di- rection périphérique. Selon les figures 1 et 2, on considère en outre que la partie constitutive 11 est solidaire de la chambre de combustion, dans ce cas de la paroi ar- rière 5 du tube de flamme 6 La partie constitutive 11 est alors centrée et fermement ancrée sur la paroi ar- rière 5 par un évidement 13 se terminant par un bord 12 en saillie se situant radialement à l'intérieur Le bord en saillie 12 forme en direction de l'écoulement, un aménagement de canal convergent/divergent. Comme représenté en outre sur les figures 1 et 2, l'autre partie constitutive 10 est susceptible d'être déplacée ou bien réglée axialement par l'inter- médiaire d'une partie en forme de douille placée ra- dialement à l'intérieur et susceptible de coulisser en direction axiale sur la buse de carburant 1 Cette au- tre partie constitutive 10 pourrait également être ré- glable axialement sur un support de buse ou un porte- vent cylindrique. Selon une autre forme de réalisation, la buse de carburant 1 ou bien son enveloppe de carter peut être prévue réglable en direction axiale (flèches F,F'), pour obtenir sur toute l'étendue de réglage du dispositif de giration 2, un positionnement optimal du cône d'éjection Kg du carburant, accordé à la direc- tion d'éjection correspondante de l'air primaire D" en giration (figure 2), de sorte que même dans les posi- tions terminales extrêmement différentes du dispositif de giration 2 selon les figures 3 et 4, un tourbillon de giration W (figure 1) enrichi de façon optimale en carburant est réparti de façon homogène sur la péri- phérie peut être obtenu dans la zone primaire. De la figure 5 ressort particulièrement net- tement la formation et la disposition des parties pro- filées 8 en pratique triangulaires à l'intérieur des là J parties profilées 9 qui leur sont géométriquement adaptées sous la forme de corps creux à paroi mince. En d'autres termes: les parties profilées 8, 9 pré- sentent des sections transversales allant en se rétré- cissant en forme de coins depuis le diamètre externe vers le diamètre interne (côté sortie) du dispositif de giration 2 en incluant entre elles les canaux de giration K ou bien K' répartis sous la même forme et uniformément sur la périphérie avec dans ce cas un mode de construction rectiligne tangentiel. Dans le cadre de l'invention, les canaux de giration et/ou les parties profilées peuvent également être courbés et/ou être en forme d'aube. La figure 6 montre une autre variante de l'invention avec le brûleur formé à l'extrémité de tête de la chambre de combustion, dans la combinaison d'un dispositif de giration 2 réglable au sens des fi- gures 1 à 5 avec un dispositif de giration fixe 14 disposé à la suite, et qui est également alimenté sous écoulement radial (flèche D"') à partir de l'air pri- maire D arrivant en direction axiale. Selon les contours représentés en traits pleins, le dispositif de giration réglable 2 occupe la position terminale au sens des figures 1 et 3 avec respectivement la section transversale d'écoulement total la plus petite des canaux K, ceci contrairement à la position terminale représentée en tirets avec la section transversale totale d'écoulement la plus gran- de et avec les canaux K' alors ouverts au maximum au sens des figures 2 et 4. Selon la figure 6, le dispositif de giration réglable 2 comporte la pièce constitutive 10 en forme de disque annulaire susceptible de coulisser ou bien d'être réglée axialement sur la buse de carburant 1 avec le fût interne en forme de douille et les parties 12 ' 8 (figures 2 et 4), qui sont susceptibles d'être in- troduites axialement dans les parties 9 (figures 4, ), revêtant la forme de corps creux, de l'autre pièce constitutive 11 Cette autre pièce constitutive fixe 11 forme sur la figure 6 une paroi de protection, qui sépare les canaux de giration K, K" les uns des autres et qui s'étend en aval radialement et axialement en forme de douille (H) ainsi que coaxialement par rap- port à l'axe A de la buse ou du brûleur Par l'inter- médiaire de profilés fixes correspondants, qui délimi- tent les canaux de giration K" du dispositif de gira- tion fixe 14, la pièce constitutive fixe 11 du dispo- sitif de giration réglable 2 est maintenue centrale- ment et fermement par l'intermédiaire d'une pièce de déviation 15 sur la paroi arrière 5 du tube de flamme ou bien sur le carter de la chambre de combustion La * pièce de déviation 15 comporte un contour interne di- vergent/convergent radialement, et en même temps éga- lement symétrique de révolution par rapport à l'axe de A de la buse ou du brûleur Radialement à l'extérieur, la pièce de déviation 15 se poursuit sous la forme d'une paroi de protection 16 à une certaine distance axiale de la paroi arrière 5. Par l'intermédiaire des deux dispositifs de giration 2, 14 (figure 6) on peut obtenir dans la zone primaire des tourbillons de giration Wl, W 2 tournant respectivement dans le même sens de rotation ou dans des sens opposés, enrichis ou bien intimement mélangés avec le carburant B sortant de la buse 1. Dans la position terminale représentée en tirets et complètement ouverte du dispositif de gira- tion 2, on peut obtenir dans la zone primaire en com- binaison avec le dispositif de giration fixe 14, une combustion "froide" extrêmement riche en air et pauvre en substances nocives. Le déplacement axial de l'une des deux piè- ces constitutives, par exemple 10, du dispositif de giration réglable 2 peut s'effectuer par l'intermé- diaire de dispositifs de réglage actionnés hydrauli- quement, pneumatiquement ou électriquement Notamment, dans le cas d'une chambre de combustion annulaire avec des brûleurs répartis uniformément sur la périphérie à l'extrémité de tête, il existe une possibilité pour l'actionnement, en ce qu'un mouvement de réglage rota- toire d'un anneau commun est transformé par l'intermé- diaire de leviers ainsi que de trous oblongs de guida- ge, ces derniers respectivement inclinés par rapport à l'axe du brûleur, en un mouvement de réglage axial. Le dispositif de giration 2 concerné peut pour un déplacement axial approprié de l'une au moins des pièces constitutives, par exemple 10, régler ou bien commander le débit d'air en fonction de l'état de charge du propulseur, à partir de différents paramè- tres ou variables du propulseur, ou bien en fonction des évolutions mesurées localement de la pression et de la température dans la chambre de combustion. Dans la mesure o elles ne sont pas revendi- quées expressément, les caractéristiques précédemment mentionnées et/ou représentées sur les dessins font également partie de la présente invention. R E V E N D I C A T I O N S 1) Brûleur pour propulseurs à turbines à gaz dans lequel, à une buse de carburant ( 1), est associé coaxialement un dispositif de giration ( 2) annulaire, qui comporte entre des profilés ( 7) répartis sur la périphérie des canaux tangentiels (K,K') pour une ali- mentation réglable en air de combustion, brûleur caractérisé en ce que: les profilés ( 7) sont constitués par des parties correspondantes ( 8,9) de pièces constitutives ( 10,11) mobiles l'une par rapport à l'autre, chaque partie ( 9) d'un profilé ( 7) est un corps creux dans lequel est en prise de façon mobile l'au- tre partie ( 8) correspondante. 2) Brûleur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que sur une pièce constitutive ( 11) est disposé l'ensemble des parties ( 9) réalisées en forme de corps creux des profilés ( 7). 3) Brûleur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des piè- ces constitutives ( 11) est maintenue fixe sur la cham- bre de combustion, tandis que l'autre pièces constitu- tive ( 10) est disposée sur la buse de carburant ( 11) ou bien sur un support de buse de façon à pouvoir cou- lisser axialement. 4) Brûleur selon une ou plusieurs des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce cons- titutive ( 11) maintenue fixe sur la chambre de combus- tion, comporte exclusivement les parties ( 9) des pro- filés ( 7) réalisées sous la forme de corps creux. ) Brûleur selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux pièces constitutives ( 10,11) présentent une symétrie de révolution par rap- port à l'axe (A) de la buse ou du brûleur et revêt es- sentiellement la forme de disques annulaires et/ou de douilles. 6) Brûleur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les deux pièces constitutives ( 10,11) forment avec les parties ( 8,9) des profilés ( 7) des canaux variables (K,K') carrés ou rectangulaires avec des sections transversales d'écoulement restant cons- tantes sur toute leur longueur. 7) Brûleur selon les revendications précé- dentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que la buse de carburant ( 1) est susceptible d'être déplacée axialement par rapport aux deux parties cons- titutives ( 10,11). 8) Brûleur selon les revendications précé- dentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les profilés ( 7) ont une section transversale en forme de coin ou de triangle ou bien une section transversale en forme d'aube. 9) Brûleur selon les revendications précé- dentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que, au dispositif de giration réglable ( 2), est asso- cié au moins un autre dispositif de giration fixe ( 14) de façon à produire dans la zone primaire des tourbil- lons de giration (Wl,W 2) tournant dans le même sens ou dans des sens opposés. 10) Brûleur selon les revendications précé- dentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que le dispositif de giration règle par déplacement axial le débit d'air en fonction de l'état de charge du propulseur. 11) Brûleur selon les revendications précé- dentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que le dispositif de giration règle par déplacement axial le débit d'air en fonction de l'évolution locale de la température et/ou de la pression dans la chambre de combustion.