Brevet FR2690977A1 — publié le 19931112

CHAMBRE DE COMBUSTION COMPORTANT DES PASSAGES REGLABLES D'ADMISSION DE COMBURANT PRIMAIRE. Les chambres de combustion connues, notamment celles dont sont munies les turbines à gaz, comportent de nombreux orifices d'admission du comburant permettant la combustion du carburant injecté Ainsi distingue- t-on les orifices d'admission du comburant primaire, qui joue un rôle essentiel dans le déroulement de la combustion proprement dite, des orifices d'admission du comburant de dilution, qui, comme sa désignation le suggère, a pour fonction principale, en se mélangeant aux gaz brûlés issus de la combustion, de les diluer et ainsi d'homogénéiser la température et de régler le débit pour permettre une alimentation satisfaisante des aubages de la turbine à gaz. Les dispositifs d'admission de comburant primaire doivent permettre lobtention de régimes de fonctionnement très différents Ainsi, au régime du ralenti, le temps de séjour des gaz de combustion dans la zone d'admission du comburant admis autour des injecteurs de carburant et à travers les orifices d'admission de comburant primaire doit être long, afin, d'une part, de favoriser la stabilité de la combustion, d'autre part, de réduire les émissions polluantes de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures imbrûlés (C Hx) Au régime plein gaz, le temps de séjour des gaz de combustion dans ladite zone doit, au contraire, être faible, afin de réduire les émissions polluantes d'oxydes d'azote (N Ox). Par ailleurs, la même chambre doit satisfaire ces exigences contradictoires De plus, les valeurs des débits de comburant primaire peuvent elles-mêmes varier. Afin de résoudre rensemble des problèmes relatifs à ladmission de comburant primaire, rinvention propose une disposition principale selon laquelle les emplacements des orifices d'admission de comburant primaire sont réglables parallèlement à laxe de la chambre de combustion, permettant le réglage du temps de séjour des gaz de la combustion à lintérieur de la zone de combustion, complétée ou non avantageusement par des dispositions secondaires permettant le réglage du débit du comburant primaire. L'invention est donc relative à une chambre de combustion comportant un axe géométrique, et, une paroi externe et une paroi interne, qui définissent une enceinte à lintérieur de laquelle s'effectue la combustion d'un carburant et dont au moins rune de ces parois est notamment munie à cet effet de passages réglant ladmission à lintérieur de lenceinte d'un comburant primaire. 1. Selon l'invention, les passages de sections réglables comprennent des premiers orifices oblongs d'axes sensiblement contenus dans des plans radiaux passant par l'axe géométrique de la chambre de combustion et ménagés dans ladite paroi; des moyens d'obturation traversés par des deuxièmes orifices centrés sensiblement dans les mêmes plans radiaux que les premiers orifices; et un dispositif de réglage des positions desdits moyens d'obturation parallèlement audit axe géométrique, apte à réaliser un recouvrement réglable de chaque premier orifice par un deuxième orifice. Les avantageuses dispositions suivantes sont, en outre, de préférence adoptées: selon une première réalisation, chaque premier orifice comporte deux lisières parallèles écartées d'une distance déterminée, cependant que chaque deuxième orifice a une périphérie circulaire de diamètre sensiblement égal à ladite distance déterminée, ledit réglage des positions des moyens d'obturation réalisant au moins un recouvrement de position réglable de chaque premier orifice par un deuxième orifice; selon une deuxième réalisation, chaque deuxième orif 1 ceë a une section oblongue sensiblement égale à, et de même forme que celle d'un premier orifice, d'axe sensiblement contenu dans le plan radial passant par ledit axe géométrique et par l'axe d'un premier orifice, cependant que ledit recouvrement présente deux valeurs particulières: une valeur maximale, qui correspond à la superposition des premiers et des deuxièmes orifices, et, une valeur minimale, qui correspond à la superposition de seulement une partie de chacun des premiers orifices par un deuxième orifice; quelle que soit la réalisation adoptée, la chambre de combustion comprend, en outre, au moins un injecteur de carburant associé à un dispositif d'admission de comburant de combustion, muni d'un diaphragme de réglage des passages de comburant de combustion, et d'un dispositif de réglage dudit diaphragme, cependant que les commandes du dispositif de réglage des positions desdits moyens d'obturation et du dispositif de réglage des diaphragmes sont synchronisées, de manière à obtenir les deux configurations particulières suivantes: une première configuration, dans laquelle lesdits recouvrements des orifices ont leur valeur maximale et les sections desdits passages du diaphragme ont leur valeur minimale, et, une deuxième configuration dans laquelle lesdits recouvrements des orifices ont leur valeur minimale, et, les sections de passages du diaphragme ont leur valeur maximale; les valeurs de perte de charge du débit de comburant traversant l'ensemble desdits passages d'admission de comburant primaire et des passages du diaphragme dans lesdites première et deuxième configurations sont égales; lesdits moyens d'obturation sont constitués par des plaques montées coulissantes sur au moins lune des faces de ladite paroi, selon une direction parallèle à l'axe géométrique; lesdites plaques sont montées coulissantes sur la face de ladite paroi opposée à celle délimitant l'enceinte de combustion; la chambre de combustion comporte une couronne annulaire, d'axe confondu avec ledit axe géométrique, montée pivotante par rapport à ladite paroi autour de cet axe géométrique, cependant que l'un des deux ensembles de pièces constitués par la couronne annulaire et par les plaques, est muni d'une pluralité de rampes inclinées par rapport audit axe géométrique et que lautre ensemble de pièces est muni d'ergots, dont chacun est maintenu en appui sur l'une des rampes, un ergot par rampe; chaque rampe est constituée par une rainure ménagée dans lensemble de pièces comportant lesdites rampes; chacune des parois externe et interne est traversée par une pluralité desdits passages d'admission de comburant primaire, cependant que deux couronnes annulaires, l'une externe, l'autre interne, sont associées auxdites parois externe et interne, respectivement, et qu'un levier unique est monté pivotant sur un fond transversal reliant lesdites parois externe et interne, autour d'un axe de pivotement parallèle à l'axe géométrique, et est attelé auxdites couronnes annulaires par l'intermédiaire de pattes qui en sont solidaires, de manière à réaliser la synchronisation des commandes de pivotement des deuxdites couronnes annulaires. L'avantage principal de linvention réside dans la progressivité du réglage relatif aux orifices d'admission de comburant primaire, aboutissant à lobtention de régimes de fonctionnement satisfaisants, aussi bien en ce qui concerne la stabilité au ralenti, que la réduction des émissions polluantes à tous les régimes de fonctionnement. L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description de réalisations donnée ci-dessous à titre d'exemple. Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue développée de la face extérieure à l'enceinte de combustion de la paroi externe ou interne d'une première réalisation d'une chambre de combustion annulaire conforme à linvention, dans une première configuration de fonctionnement de cette chambre de combustion; la figure 2 est une coupe suivant Il-II de la figure 1; la figure 3 est une vue suivant flèche F de la figure 1; la figure 4 est une vue analogue à la figure 1, de la même chambre de combustion, mais dans une deuxième configuration de fonctionnement; la figure 5 est une coupe suivant V-V de la figure 4; la figure 6 est une vue suivant flèche G de la figure 4; la figure 7 est une vue développée de la face extérieure à l'enceinte de combustion de la paroi externe ou interne d'une deuxième réalisation d'une chambre de combustion annulaire conforme à linvention, dans une première configuration de fonctionnement de cette chambre de combustion; la figure 8 est une vue analogue à la figure 7, de la même chambre de combustion, mais dans une deuxième configuration de fonctionnement; les figures 9 et 10 schématisent les admissions de comburant de combustion et de comburant primaire des figures 1 et 4. La chambre de combustion partiellement représentée sur les figures 1 à 6 équipe une turbine à gaz, et, de type annulaire, comprend une paroi externe 1 et une paroi interne 2, toutes deux sensiblement de révolution d'axe 3 Une paroi transversale 4 relie les parois externe 1 et interne 2, constitue le fond 4 de la chambre de combustion, et définit, avec lesdites parois externe et interne, lenceinte à lintérieur de laquelle s'effectue la combustion du carburant. Plusieurs injecteurs de carburant 5 sont supportés par le fond 4, qu'ils traversent, en étant régulièrement espacés Des orifices d'admission de comburant de combustion 6 sont associés aux injecteurs de carburant 5, qu'ils entourent, et sont munis, dans les réalisations représentées, de diaphragmes 7 qui permettent de régler les valeurs des sections de passage du comburant, munis à cet effet d'un dispositif de commande schématisé par un levier 8 de commande du pivotement d'une virole 9 d'obturation sélective des trous de passage du comburant Chaque injecteur de carburant est associé à un diaphragme 7, étant cependant indiqué que, dans sa plus grande généralité, Pinvention s'applique également aux chambres de combustion ne comportant pas de diaphragmes, bien que, naturellement, comportant des orifices 6 d'admission de comburant de combustion. La paroi externe 1 est en outre munie de premiers orifices 10, de formes oblongues, présentant chacun deux lisières 11 parallèles à l'axe 3 et réunies par deux demi cercles 12, possédant donc un axe contenu dans un plan radial passant par l'axe 3 A lextérieur de l'enceinte de combustion, des plaquettes 13 d'obturation sélective sont montées coulissantes parallèlement à l'axe 3, en glissant sur la face extérieure l A de la paroi externe 1, en étant guidées à l'une de leurs extrémités par des plots intercalaires 14 et en étant recouvertes par une couronne 15 de maintien en appui sur la face extérieure l A, et, en étant guidées à leur autre extrémité par deux pions 16 solidaires de la paroi 1 Un ergot 17, solidaire de chaque plaquette 13, est introduit dans une rainure 18 ménagée dans une couronne annulaire 19 montée pivotante autour de laxe 3 Les rainures 18 sont hélicoïdales, et, en fonction du pivotement de la couronne 19, par exemple entre la configuration des figures 1 à 3, et, celle des figures 4 à 6, contraignent les ergots 17, et, les plaquettes 13 dont ils sont solidaires, à coulisser parallèlement à l'axe 3. Chaque plaquette 13 est munie d'un deuxième orifice oblong 20, de formes et de dimensions sensiblement identiques à celles d'un premier orifice 10, dont laxe est contenu dans le plan radial contenant l'axe 3 et laxe d'un premier orifice 10 Comme représenté sur les figures 1 et 2, dans la première configuration, chaque deuxième orifice 20 est superposé sensiblement complètement à un premier orifice 10, de sorte que le passage 21 A correspondant à la superposition effective des orifices 10 et 20 constitue un passage d'admission de comburant primaire Ce comburant primaire s'ajoute au comburant de combustion déjà admis à travers les orifices 6 pour réaliser la combustion la plus complète possible du carburant injecté Dans la deuxième configuration représentée sur les figures 4 et 5, les plaquettes 13 ont été déplacées et rapprochées du fond 4, de sorte que chaque deuxième orifice 20 est superposé en partie à la paroi 1, qui lobture, et, en partie à un premier orifice 10, et constitue avec celui-ci un passage de comburant primaire 21 B de section inférieure à celle du passage 21 A des figures 1 et 2 De plus, la partie de chaque premier orifice 10 partiellement obturée par une plaquette 13 est la partie la plus éloignée du fond 4, de sorte que dans la configuration des figures 4 et 5, non seulement la section de chaque orifice d'admission de comburant primaire 21 B est inférieure à la section correspondante 21 A des figures 1 et 2, mais encore l'emplacement moyen et l'emplacement extrême de ces orifices d'admission de comburant primaire se sont rapprochés du fond 4. La paroi interne 2 est munie des mêmes dispositions que celles qui viennent d'être décrites en ce qui concerne la paroi externe 1 Notamment, une couronne annulaire 22 d'axe 3, montée pivotante autour de cet axe, commande le coulissement parallèlement à l'axe 3 d'un autre jeu de plaquettes 13 montées coulissantes sur la face 2 A de la paroi interne 2, qui est extérieure à la chambre de combustion La disposition est exactement identique à celle décrite vis-à- vis de la paroi externe 1, avec l'obtention de passages 21 A ou 21 B d'admission de comburant primaire analogues à ceux des figures 1,2 et 4,5. Des pattes 19 A, 22 A solidaires des couronnes 19,22 munies d'yeux 23,24 de réception d'ergots 25,26 solidaires d'un levier 27 monté pivotant sur le fond 4, autour d'un axe de pivotement 28 parallèle à laxe 3, permettent les commandes simultanées des pivotements des couronnes 19,22, respectivement, et permettent donc l'obtention simultanée de la même configuration des passages d'admission de comburant primaire, telle que représentée sur les figures 1 à 3, ou, sur les figures 4 à 6, ou encore, une configuration intermédiaire. Dans le cas o des diaphragmes 7 sont prévus, comme dans la réalisation des figures 1 à 6, il est en outre préféré de commander ces diaphragmes simultanément aux pivotements des couronnes 19 et 22, par exemple au moyen de pattes 29 solidaires de la couronne interne 22, munies d'yeux 30 dans lesquels sont introduits des ergots 31 solidaires des leviers 8 de commande du pivotement des viroles 9 des diaphragmes 7 Ainsi, aux pivotements des couronnes 19,22 correspondent les pivotements des viroles 9 des diaphragmes Les liaisons mécaniques sont conçues de manière qu'aux grands passages 21 A d'admission de comburant primaire correspondent des passages de sections réduites des diaphragmes 7 schématisés sur la figure 9 par des flèches HA épaisses pour les passages 21 A et par des flèches JA fines pour les passages 6 des diaphragmes, et, sur la figure 10 par des flèches HB fines pour les passages 21 B et par des flèches JB épaisses pour les passages 6 des diaphragmes Les passages 21 B d'admission de comburant, de sections inférieures à celles des passages 21 A, sont associés à des sections des passages 6 supérieures dans les figures 4 à 6 et 10, aux sections des mêmes passages 6 des figures 1 à 3 et 9, de manière que la perte de charge totale du comburant de combustion et primaire admis ait une valeur sensiblement constante A noter, sur les figures 9 et 10, les distances maximales DA et DB des passages 21 A et 21 B par rapport au fond 4, DB étant inférieure à DA. La réalisation des figures 7 et 8 a pour différence principale par rapport à celle des figures 1 à 6, la forme des deuxièmes orifices 20 A des plaquettes 13, qui est circulaire, de diamètre égal à l'écartement des lisières 11 d'un premier orifice 10, le centre de chaque deuxième orifice 20 A étant alors contenu dans le plan radial contenant un premier orifice 10 Dans ce cas, la section du passage 21 C d'admission d'air primaire est au plus égale à la section d'un deuxième orifice 20 A, et est effectivement égale à cette section d'un deuxième orifice 20 A Par contre, l'emplacement axial du passage 21 C varie en correspondance du pivotement des couronnes annulaires de commande du déplacement des plaquettes 13, telle que la couronne 19 des figures 7 et 8 Les autres dispositions des figures 1 et 3 se retrouvent avec les mêmes références, dans la réalisation des figures 7 et 8. Les dispositions représentées permettent d'abord le réglage de lemplacement des passages d'admission de comburant primaire 21 A, 21 B et 21 C par rapport au fond 4, aussi bien dans la réalisation des figures 1 à 6, que dans celle des figures 7 et 8 Ainsi, les configurations des figures 1 à 3, 7, et 9, correspondent à la distance DA la plus grande, permettant l'obtention d'un temps de séjour long des gaz de combustion dans la chambre de combustion, ce qui favorise la stabilité pendant le fonctionnement au ralenti, ainsi que la réduction des émissions de monoxydes des carbones et d'hydrocabures imbrûlés Les configurations des figures 4 à 6, 8, et 10, correspondent à la distance DB inférieure à DA, permettent l'obtention d'un temps de séjour réduit des gaz de combustion, ce qui favorise la réduction d'oxydes d'azote (N Ox) pendant le fonctionnement à plein gaz. Les dispositions des figures 1 à 6 permettent en outre d'ajuster les valeurs des sections des passages d'admission de comburant primaire, ce qui est favorable aux deux types de fonctionnement extrêmes: ralenti et plein gaz. Enfin, lorsque la commande de la configuration des passages d'admission de comburant primaire est combinée avec la commande des diaphragmes (figures 1 à 6, et, 9 et 10), il est possible de conserver une perte de charge constante, ce qui est avantageux pour l'obtention d'un fonctionnement satisfaisant en aval de la chambre de combustion. L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient leur être apportées sans sortir de leur cadre, ni de leur esprit. En particulier, les rainures 18 pourraient être remplacées plus généralement par des rampes d'appui des ergots 17 Bien entendu, ces rainures 18 ou ces rampes pourraient être ménagées dans les plaquettes 13, les couronnes 19 et 22 portant alors les ergots 17. REVENDICATIONS 1 Chambre de combustion comportant un axe géométrique ( 3), et, une paroi externe ( 1) et une paroi interne ( 2), qui définissent une enceinte à l'intérieur de laquelle s'effectue la combustion d'un carburant et dont au moins l'une de ces parois est notamment munie à cet effet de passages ( 21 A; 21 B; 21 C) réglant ladmission à l'intérieur de l'enceinte d'un comburant primaire; caractérisée en ce que les passages comprennent des premiers orifices oblongs ( 10) d'axes sensiblement contenus dans des plans radiaux passant par l'axe géométrique ( 3) de la chambre de combustion et ménagés dans ladite paroi ( 1); des moyens d'obturation ( 13) traversés par des deuxièmes orifices ( 20; 20 A) centrés sensiblement dans les mêmes plans radiaux que les premiers orifices ( 10); et un dispositif ( 19-17-18) de réglage des positions desdits moyens d'obturation ( 13) parallèlement audit axe géométrique ( 3), apte à réaliser un recouvrement réglable de chaque premier orifice ( 10) par un deuxième orifice ( 20; 20 A). 2 Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque premier orifice ( 10) comporte deux lisières parallèles ( 11) écartées d'une distance déterminée, cependant que chaque deuxième orifice ( 20 A) a une périphérie circulaire de diamètre sensiblement égal à ladite distance déterminée, ledit réglage des positions des moyens d'obturation ( 13) réalisant au moins un recouvrement de position réglable de chaque premier orifice ( 10) par un deuxième orifice ( 20 A), la valeur de la section de passage ( 21 C) restant constante. 3 Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque deuxième orifice ( 20) a une section oblongue sensiblement égale à, et de même forme que celle d'un premier orifice ( 10), d'axe sensiblement contenu dans le plan radial passant par ledit axe géométrique ( 3) et par laxe d'un premier orifice, cependant que ledit recouvrement présente deux valeurs particulières: une valeur maximale (figures 1 et 2), qui correspond à la superposition des premiers et deuxièmes orifices, et, une valeur minimale (figures 4 et 5), qui correspond à la superposition de seulement une partie de chacun des premiers orifices par un deuxième orifice. 4 Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la chambre de combustion comprend en outre au moins un injecteur de carburant ( 5) associé à un dispositif d'admission de comburant de combustion, muni d'un diaphragme ( 7) de réglage des passages de comburant de combustion, et d'un dispositif ( 8) de réglage dudit diaphragme ( 7), cependant que les commandes du dispositif de réglage ( 19 A-23-25, 22 A- 24-26) des positions desdits moyens d'obturation ( 13) et du dispositif de réglage ( 29-30-31) des diaphragmes ( 7) sont synchronisés ( 27), de manière à obtenir les deux configurations particulières suivantes: une première configuration (figure 9), dans laquelle lesdits recouvrements des orifices ont leur valeur maximale et les sections desdits passages du diaphragme ont leur valeur minimale, et, une deuxième configuration dans laquelle lesdits recouvrements des orifices ont leur valeur minimale (figure 10), et, les sections de passages du diaphragme ont leur valeur maximale. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que les valeurs de perte de charge du débit de comburant traversant lensemble desdits passages d'admission de comburant primaire et des passages du diaphragme dans lesdits première et deuxième configurations sont sensiblement égales. 6 Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisée en ce que lesdits moyens d'obturation sont constitués par des plaques ( 13) montées coulissantes sur l'une des faces ( 1 A) de ladite paroi ( 1), selon une direction parallèle à l'axe géométrique ( 3). 7 Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites plaques sont montées coulissantes sur la face (l A) de ladite paroi ( 1) opposée à celle délimitant l'enceinte de combustion. 8 Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une couronne annulaire ( 19), d'axe confondu avec ledit axe géométrique ( 3), montée pivotante par rapport à ladite paroi ( 1) autour de cet axe géométrique ( 3), cependant que l'un ( 19) des deux ensembles de pièces constitués par la couronne annulaire ( 19) et par les plaques est muni d'une pluralité de rampes ( 18) inclinées par rapport audit axe géométrique ( 3) et que l'autre ensemble ( 13) de pièces est muni d'ergots ( 17), dont chacun est maintenu en appui sur lune des rampes ( 18), un ergot par rampe. 9 Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque rampe est constituée par une rainure ( 18) ménagée dans l'ensemble ( 19) des pièces comportant lesdites rampes ( 18). 10 Chambre de combustion selon lune quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que chacune des parois externe ( 1) et interne ( 2) est il traversée par une pluralité desdits passages d'admission de comburant primaire, cependant que deux couronnes annulaires ( 19,22), l'une externe ( 19), l'autre interne ( 22), sont associées auxdites parois externe et interne, respectivement, et qu'un levier unique ( 27) est monté pivotant sur un fond transversal ( 4) reliant lesdites parois externe ( 1) et interne ( 2), autour d'un axe de pivotement ( 28) parallèle à l'axe géométrique ( 3), et est attelé aux dites couronnes annulaires ( 19,22) par 'intermédiaire de pattes ( 19 A,22 A) qui en sont solidaires, de manière à réaliser la synchronisation des commandes de pivotement des deuxdites couronnes annulaires.