Brevet FR2706020A1 — publié le 19941209

L'invention concerne un ensemble de chambre de combustion pour une turbine à gaz, comportant un tube de flamme orienté le long de la direction d'écoulement, ainsi que des zones de combustion et de vaporisation séparées, le tube de flamme comprenant une zone de combustion secondaire comportant un second dispositif d'injection de combustible en amont. Des recherches concernant les émissions polluantes de systèmes de propulsion d'avions, montrent que les substances polluantes sont émises dans des régions de l'atmosphère qui réagissent de manière très sensible d'un point de vue climatique. Aussi, l'on accorde depuis déjà un certain temps, une attention particulière à la réduction des émissions polluantes. Mis à part l'optimisation de composants essentiels d'un réacteur, tels que le compresseur, la turbine et la tuyère de poussée, la chambre de combustion offre quant à elle un potentiel considérable pour la réduction des substances polluantes se formant lors de la combustion, notamment les oxydes d'azote. Trois possibilités s'offrent en principe pour abaisser les émissions de substances polluantes d'une turbine à gaz: l'utilisation d'un combustible écologique, l'abaissement de la consommation spécifique de combustible, et la modification du processus de combustion. Alors que la première possibilité nécessite une nouvelle infrastructure-combustible très complexe, et que l'on tente déjà de réduire la consommation de combustible par l'optimisation des composants précédemment cités, deux concepts différents ont vu le jour pour la modification du processus de combustion. Dans la méthode connue sous l'appellation d'étagement richepauvre, dans une zone de combustion primaire de la chambre de combustion, le point de fonctionnement est décalé vers la formation d'un mélange riche, et, en aval, à la suite de l'étage de combustion primaire fonctionnant avec un mélange riche, est disposé un second étage de combustion à mélange pauvre. Le concept de la combustion à mélange pauvre offre un potentiel de réduction des émissions d'oxyde d'azote, encore plus élevé. Dans ce cas, la combustion du carburant s'effectue dans une zone de combustion primaire, sous excès d'air. De ce fait, le point de fonctionnement tombe dans une plage de formation de mélange pauvre, ce qui permet de réduire considérablement la formation de substances polluantes. Il est important pour éviter la formation d'oxyde d'azote, d'avoir un mélange de combustion homogène. Dans des concepts de chambre de combustion déjà exécutés, comportant des zones de combustion primaire et secondaire séparées, fonctionnant avec un mélange riche, le combustible est directement injecté, sans 2 2706020 mélange préalable, dans la zone de combustion primaire et y est mélangé, avec toutefois le risque que le combustible s'enflamme avant que le processus de mélange soit achevé. Il en résulte la formation de points chauds localisés, dans lesquels se produit une formation d'oxyde d'azote plus importante. Dans le cas du concept de la combustion à mélange pauvre, avec vaporisation préalable, existe en outre le risque, dans le cas d'une stabilisation de flamme insuffisante, d'un auto-allumage dans la chambre de vaporisation préalable, qui peut conduire à une détérioration, voire à la destruction de la chambre de combustion. Pour la réalisation de tels concepts de combustion, différents modes de réalisation, comprenant des chambres de combustion et de vaporisation séparées du tube de flamme, ont été divulgués. La demande de brevet allemand DE-A-2 629 761 divulgue certes une zone primaire de vaporisation et de combustion en dehors du tube de flamme, mais aucune mesure n'y est prévue dans l'optique de conférer un mouvement à composante giratoire, intensif, au mélange de combustion, de sorte qu'il faut s'attendre localement, à une combustion incomplète. Pour améliorer la préparation du mélange, La demande de brevet allemand DE-A-2 901 099 montre une chambre de combustion comportant des tubes de mélange courbés. Dans ce cas, le risque de dépôt sur les parois, de gouttelettes de carburant non encore vaporisées, dans la zone des canaux courbes, est problématique. Il peut se produire un auto- allumage prématuré indésirable, sur les parois. La demande de brevet allemand DE- A-2 826 699 et le brevet américain US-A-4 168 609 divulguent également des chambres de combustion à zones de combustion séparées, aucune indication n'étant toutefois fournie, quant à des mesures destinées à conférer au mélange un mouvement d'écoulement à composante giratoire suffisante, dans les zones de combustion séparées. A partir de là, le but de l'invention consiste à fournir un ensemble de chambre de combustion du type de celui décrit en introduction et comportant des zones de combustion et de vaporisation séparées, grâce auquel on rend possible, par une combustion à mélange pauvre du combustible, une réduction des émissions de substances polluantes, et notamment une réduction de la formation d'oxyde d'azote, sans risque d'un auto-allumage dans la zone de vaporisation. Conformément à l'invention ce but est atteint grâce à la solution suivante caractérisée par une zone de combustion primaire et une zone de vaporisation 3 2706020 primaire qui sont chacune prévues dans des chambres respectives séparées, en- dehors du tube de flamme, une chambre de vaporisation de configuration sensiblement rectiligne, orientée dans la direction d'écoulement et traversée par l'écoulement dans cette direction, débouchant de manière excentrée dans une chambre de combustion orientée transversalement à la direction d'écoulement, cette chambre de combustion débouchant dans le tube de flamme en aval du second dispositif d'injection de combustible, et un premier dispositif d'injection de combustible étant disposé en amont de la chambre de vaporisation. Un avantage de la disposition conforme à l'invention réside dans le fait que la combustion dans la zone primaire et dans la zone secondaire peut s'effectuer pour des mélanges combustible/air différents. Il est ainsi possible de transférer le point de fonctionnement à pleine charge, ou, dans le cas de turbines à gaz d'avions, le point de fonctionnement de croisière, de la zone de combustion primaire, dans des plages de faibles production d'oxyde d'azote. La zone de combustion secondaire située dans le tube de flamme, peut par contre fonctionner dans des conditions d'un mélange plus riche, ce qui garantit un fonctionnement optimal de l'ensemble de chambre de combustion, notamment quant à l'aptitude au redémarrage et au fonctionnement à admission réduite de turbines à gaz d'avions. La séparation matérielle de la zone de combustion primaire et secondaire en un étage principal et un étage pilote, autorise le fonctionnement sélectif des deux zones de combustion ou seulement d'une seule zone de combustion, en fonction de l'état de l'étranglement de l'admission de la turbine à gaz, ce qui permet d'assurer une large plage de régulation du réacteur. Le mélange préalable et la vaporisation préalable du combustible pour la zone de combustion primaire, dans une chambre de vaporisation séparée matériellement de la chambre de combustion, conduit à un mélange combustible/air homogène, dont la combustion s'effectue seulement une fois dans la chambre de combustion. Ce mode de construction à deux chambres séparées évite la formation de points chauds localisés dans lesquels pourrait avoir lieu la formation d'oxyde d'azote; l'émission d'oxyde d'azote peut ainsi être maintenue très faible. Selon un développement préféré de l'invention, la chambre de combustion présente sensiblement une configuration à symétrie de révolution, au moins dans la région de la zone de combustion primaire, la chambre de vaporisation débouchant de manière excentrée dans la chambre de combustion, en vue de produire un écoulement à composante giratoire dans la zone de combustion primaire. 4 2706020 Cela permet d'obtenir une entrée du mélange de la chambre de vaporisation dans la zone de combustion primaire, avec formation d'un écoulement à composante giratoire, ce qui garantit une combustion stable dans la zone de combustion primaire. Grâce à l'écoulement irrotationnel dans la chambre de vaporisation, et à la vitesse d'écoulement élevée, le retour de flamme est largement exclu. La forme à symétrie de révolution de la chambre de combustion, contribue à la formation aérodynamique de l'écoulement à composante giratoire dans la zone de combustion primaire, qui permet une stabilisation de la flamme sans autre corps de retenue en guise d'accrocheur de flammes. Un évasement conique supplémentaire de la chambre de combustion en direction du tube de flamme favorise la formation de turbulences et ainsi le brassage du mélange de combustion dans la zone de combustion primaire, ce qui permet d'obtenir une meilleure stabilisation de flamme. Pour améliorer la formation du mélange dans la chambre de vaporisation, le guidage de l'écoulement dans la zone de vaporisation primaire, s'effectue essentiellement de manière irrotationnelle, ce qui réduit à un minimum, le mouillage des parois. On vise essentiellement une vaporisation en gouttes, en vue d'obtenir, par rapport à une vaporisation en pellicule proche de la paroi, un processus de vaporisation plus efficace, pour un volume d'encombrement minimal de la chambre de vaporisation. A cet effet, la chambre de vaporisation est de préférence rectiligne. Le guidage de l'écoulement à l'intérieur de la chambre de vaporisation s'effectue dans la direction longitudinale de celle-ci. On obtient une alimentation en air, optimale, de la chambre de vaporisation primaire, grâce au fait que la direction d'écoulement à l'intérieur de la chambre de vaporisation s'étend environ parallèlement à l'axe longitudinal de l'ensemble de chambre de combustion, à savoir du tube de flamme. Comme on l'a déjà évoqué, la chambre de vaporisation comporte de préférence, à son extrémité amont, pour son alimentation en combustible, un dispositif d'injection de combustible. On obtient une vaporisation du combustible, améliorée davantage encore, grâce au fait que les dispositifs d'injection de combustible de la chambre de vaporisation et/ou du tube de flamme, sont réalisés en tant que diffuseurs à air. 2706020 En guise de mesure de sécurité supplémentaire, à l'encontre du risque de détérioration de l'ensemble de chambre de combustion, en cas de retour de flamme ou d'un auto-allumage, il est prévu que la chambre de vaporisation comporte sur sa périphérie, des ouvertures d'entrée d'air destinées au refroidissement des parois de la chambre de vaporisation. Il est ainsi possible de tolérer un retour de flamme occasionnel. D'autres configurations avantageuses de l'ensemble de chambre de combustion, notamment quant à une exécution compacte de l'ensemble de chambre de combustion pour des turbines à gaz d'avions et à un degré de combustion plus complet, sont définies comme suit. L'ensemble de chambre de combustion présente une forme annulaire, et un grand nombre de paires, formées chacune d'une chambre de vaporisation et d'une chambre de combustion, sont raccordées au tube de flamme en présentant un espacement périphérique régulier. Les chambres de combustion débouchent dans le tube de flamme de forme annulaire, sur la périphérie intérieure de celui-ci, les paires faisant saillie radialement vers l'intérieur en direction du centre de l'ensemble de chambre de combustion. Une autre mesure permet d'empêcher l'auto-allumage dans la chambre de vaporisation, même dans le cas de pressions élevées et de températures d'entrée dans la chambre de combustion, élevées: la longueur de la chambre de combustion est adaptée à la vitesse d'écoulement à l'intérieur de la chambre de vaporisation, de manière à ce que la durée de séjour d'une particule de fluide dans la chambre de vaporisation, soit inférieure à une valeur qui conduirait à l'autoallumage. On obtient un fonctionnement de l'ensemble de chambre de combustion, optimisé quant à une faible production d'émissions polluantes, et présentant une large plage de régulation, lorsque la répartition du débit massique d'air vers l'étage pilote et l'étage principal, voire pour le refroidissement des parois de l'ensemble de chambre de combustion, se fait selon les proportions qui vont être définies ci-après. Ainsi, selon une première version, environ 2/3 du débit massique d'air alimentant l'ensemble de chambre de combustion, est amené à la zone de combustion primaire, et environ 1/3 du débit massique d'air, à la zone de combustion secondaire du tube de flamme. Selon une seconde version, environ 25% du débit massique d'air alimentant l'ensemble de chambre de combustion, est amené à la zone de combustion secondaire, environ 55% du débit massique d'air, à la zone de combustion primaire, 6 2706020 et environ 20% du débit massique d'air, à l'ensemble de chambre de combustion pour le refroidissement. Des modes de réalisation de l'invention vont être explicités plus en détail dans la suite, au regard des dessins annexés, qui montrent: Fig. la une vue en perspective d'un ensemble de chambre de combustion schématisé, Fig. lb une vue parallèlement à l'axe de rotation de la chambre de combustion, selon la figure la, Fig. lc une vue de l'ensemble de chambre de combustion parallèlement à la direction d'écoulement d'entrée, selon la figure la, Fig. 2a une coupe partielle longitudinale d'un ensemble de chambre de combustion de forme annulaire, Fig. 2b une vue de l'ensemble de chambre de combustion, parallèlement à la direction de l'écoulement d'entrée, selon la figure 2a, et Fig. 3 une représentation de l'allure de la température de combustion dans l'ensemble de chambre de combustion, en fonction du rapport d'équivalence cI dans la zone de combustion primaire. Sur la figure la est montré le principe de construction d'un ensemble de chambre de combustion 1, orienté dans la direction d'écoulement S. L'ensemble de chambre de combustion 1, dans l'optique d'un fonctionnement à mélange pauvre, est conçu de manière à présenter deux étages, à savoir un étage pilote et un étage principal. L'étage pilote, qui à l'inverse de l'étage principal, fonctionne avec un rapport d'équivalence c) élevé du mélange combustible/air, est formé par un tube de 7 2706020 flamme 2 orienté sensiblement parallèlement à la direction d'écoulement S et comportant une zone de combustion secondaire 7b, à l'extrémité amont de laquelle est prévu un second dispositif d'injection de combustible 3a. L'étage principal de l'ensemble de chambre de combustion 1, fonctionnant avec un mélange pauvre, comprend pour le brassage préalable du mélange combustible/air et pour la combustion de celui-ci, deux chambres 4, 5 séparées. La chambre de vaporisation 4 de forme parallélipipédique, est orientée, sensiblement comme le tube de flamme 2, parallèlement à la direction d'écoulement S. A l'extrémité amont de la chambre de vaporisation 4, est disposé un premier dispositif d'injection de combustible 3b. La vaporisation du combustible injecté, de l'étage principal, a lieu dans la zone de vaporisation primaire 6, à l'intérieur de la chambre de vaporisation 4, sous la forme d'une vaporisation en gouttes, l'écoulement s'effectuant de manière rectiligne. Comme le laissent entrevoir les figures lb et lc, l'extrémité aval de la chambre de vaporisation 4, débouche de manière excentrée, dans la chambre de combustion 5. La chambre de combustion 5, à l'intérieur de laquelle se trouve la zone de combustion primaire 7a, est de configuration conique. La chambre de vaporisation 4 est positionnée par rapport à la chambre de combustion 5, de manière telle, que le mélange combustible/air pénètre tangentiellement dans la zone de combustion primaire 7a, à une distance latérale c de l'axe de symétrie A de la chambre de combustion 5. Il en résulte la formation d'un mouvement à composante giratoire de l'écoulement dans la zone de combustion primaire 7a, autour de l'axe de symétrie A, ce qui garantit une stabilisation de position de la flamme de combustion dans la zone de combustion primaire 7a. A cet effet, la chambre de combustion 5 est disposée de manière à ce que son axe de symétrie A soit transversal à la direction d'écoulement S, et débouche, au niveau de son extrémité évasée, dans le tube de flamme 2, en aval du second dispositif d'injection de combustible 3a. A partir de la zone o la chambre de combustion 5 débouche dans le tube de flamme 2, une zone d'extinction 8 commune pour les gaz de combustion de l'étage pilote et de l'étage principal, est prévue en prolongement aval du tube de flamme 2, jusqu'à l'extrémité aval de celui- ci. Sur les figures 2a et 2b est montré un ensemble de chambre de combustion 1' de forme annulaire, d'une turbine à gaz par ailleurs non représentée. L'ensemble de chambre de combustion 1' de forme annulaire peut être obtenu par la disposition côte à côte en forme d'anneau, d'ensembles de chambre de combustion 1 des figures la, b, c, le tube de flamme 2 étant de forme annulaire, ou formé par un 8 2706020 certain nombre de tubes de flamme 2 en forme de tronçon annulaire. Dans le cas du montage d'un ensemble de chambre de combustion 1' dans une turbine à gaz, l'ensemble de chambre de combustion 1' est monté de manière à ce que son axe longitudinal soit coaxial à l'axe de la turbine à gaz, l'ensemble de chambre de combustion 1' étant alimenté en air, côté injection, par un compresseur de la turbine à gaz. Les seconds dispositifs d'injection de combustible 3a du tube de flamme 2, disposés en étant espacés angulairement de manière régulière, ainsi que les premiers dispositifs d'injection de combustible 3b des étages principaux, sont réalisés en tant que diffuseurs à air. A chacun des étages pilotes se raccordant sans cloisonnement les uns aux autres dans la direction périphérique, est associé un second dispositif d'injection de combustible 3a. De manière correspondante, l'ensemble de chambre de combustion 1' de forme annulaire comporte pour chaque étage pilote, un étage principal, les chambres de combustion 5 faisant saillie radialement vers le centre Z de l'ensemble de chambre de combustion 1 ' de forme annulaire. Pour obtenir une alimentation en air, libre de tourbillons, les chambres de vaporisation 4 sont orientées parallèlement à l'axe L, et donc à la direction d'écoulement S. Pour le refroidissement des parois du tube de flamme 2, des chambres de combustion et de vaporisation 5 et 4, celles-ci sont pourvues d'ouvertures d'entrée d'air 9. Pour la mise en oeuvre de l'ensemble de chambre de combustion 1' de forme annulaire dans des turbines à gaz pour avions, il est possible, en fonction de la phase de vol, ou du degré de réduction de l'admission de la turbine à gaz, de sélectionner le fonctionnement des étages pilotes ou des étages principaux, ou bien le fonctionnement simultané des deux étages. Sur la figure 3 est représentée à cet effet, une courbe représentant l'allure de la température de combustion en fonction du rapport d'équivalence plage de régulation de l'étage principal. 9 2706020 REVENDICATIONS 1. Ensemble de chambre de combustion pour une turbine à gaz, comportant un tube de flamme (2) orienté le long de la direction d'écoulement (S), ainsi que des zones de combustion et de vaporisation séparées, le tube de flamme comprenant une zone de combustion secondaire (7b) comportant un second dispositif d'injection de combustible (3a) en amont, caractérisé par une zone de combustion primaire et une zone de vaporisation primaire (7a et 6) qui sont chacune prévues dans des chambres respectives (4, 5) séparées, en-dehors du tube de flamme (2), une chambre de vaporisation (4) de configuration sensiblement rectiligne, orientée dans la direction d'écoulement (S) et traversée par l'écoulement dans cette direction, débouchant de manière excentrée dans une chambre de combustion (5) orientée transversalement à la direction d'écoulement (S), cette chambre de combustion débouchant dans le tube de flamme (2) en aval du second dispositif d'injection de combustible (3a), et un premier dispositif d'injection de combustible (3b) étant disposé en amont de la chambre de vaporisation (4). 2. Ensemble de chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de combustion (5) présente sensiblement une configuration à symétrie de révolution, au moins dans la région de la zone de combustion primaire (7a). 3. Ensemble de chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de combustion (5) s'évase de manière conique en direction du tube de flamme (2). 4. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guidage de l'écoulement dans la zone de vaporisation primaire (6) s'effectue sensiblement de manière irrotationnelle. 5. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la direction d'écoulement (S) à l'intérieur de la chambre de vaporisation (4) s'étend sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal (L) de l'ensemble de chambre de combustion (1, 1'). 6. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de vaporisation (4) 2706020 présente sur sa périphérie, des ouvertures d'entrée d'air (9) pour le refroidissement. 7. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de chambre de combustion (1, 1') présente une forme annulaire, et qu'un grand nombre de paires, formées chacune d'une chambre de vaporisation et d'une chambre de combustion (4 et 5), sont raccordées au tube de flamme (2) en présentant un espacement périphérique régulier. 8. Ensemble de chambre de combustion selon la revendication 7, caractérisé en ce que les chambres de combustion (5) débouchent dans le tube de flamme (2) de forme annulaire, sur la périphérie intérieure de celui-ci, les paires faisant saillie radialement vers l'intérieur en direction du centre de l'ensemble de chambre de combustion (1, 1'). 9. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur de la chambre de combustion (5) est adaptée à la vitesse d'écoulement à l'intérieur de la chambre de vaporisation (4), de manière à éviter l'auto-allumage à l'intérieur de la chambre de vaporisation (4). 10. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers et/ou les seconds dispositifs d'injection de combustible (3b et 3a) sont réalisés sous la forme de diffuseurs à air. 11. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'environ 2/3 du débit massique d'air alimentant l'ensemble de chambre de combustion (1, 1'), est amené à la zone de combustion primaire (7a), et environ 1/3 du débit massique d'air, à la zone de combustion secondaire (7b) du tube de flamme (2). 12. Ensemble de chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'environ 25% du débit massique d'air alimentant l'ensemble de chambre de combustion (1, 1') est amené à la zone de combustion secondaire (7b), environ 55% du débit massique d'air, à la zone de l 2706020 combustion primaire (7a), et environ 20% du débit massique d'air, à l'ensemble de chambre de combustion (1, 1') pour le refroidissement.