Brevet FR2729743A1 — publié le 19960726

TETE DE COMBUSTION, EN PARTICULIER POUR BRULEUR A AIR SOUFFLE, ET BRULEUR EQUIPE D'UNE TELLE TETE L'invention est relative à une tête de combustion du genre de celles qui comprennent - un tube extérieur ayant une partie d'extrémité convergente; - un déflecteur monté dans ladite partie d'extrémité pour la stabilisation de la flamme - des ailettes situées à l'intérieur du tube, en particulier au niveau de sa partie d'extrémité convergente, pour guider le déflecteur; - et un dispositif d'injection de combustible au niveau de la partie d'extrémité convergente. L'invention concerne plus particulièrement une tête de combustion pour brûleur à air soufflé, notamment pour brûleur à gaz. Une tête de combustion de ce genre est connue par le brevet FR-B-2 641 057 de la société demanderesse. Généralement, le dispositif d'injection de combustible gazeux est agencé pour assurer une injection suivant une direction transversale par rapport à l'axe du tube, de manière à favoriser le mélange aircombustible. Les têtes de combustion connues à ce jour fonctionnent de manière satisfaisante mais les exigences visant à limiter la pollution induite par les produits de combustion deviennent de plus en plus sévères. En particulier, il est souhaitable de réduire le mieux possible le niveau d'émission d'oxydes d'azote (NOx). L'invention a pour but, surtout, de fournir une tête de combustion qui, tout en restant d'une construction relativement simple et économique, permet de réduire à un faible niveau l'émission d'oxydes d'azote. Selon l'invention, une tête de combustion du genre défini précédemment est caractérisée par le fait qu'elle comporte, à l'intérieur du tube et en amont du déflecteur, un dispositif de mise en prérotation de l'air de combustion. Grâce à cette solution, la vitesse intrinsèque de l'air de combustion est augmentée, ainsi que les turbulences créées, ce qui diminue le temps de séjour des produits de combustion dans les parties chaudes de la flamme et diminue la formation d'oxyde d'azote (NO) thermique. De préférence, le dispositif de mise en prérotation est situé en amont des ailettes. Ce dispositif de mise en prérotation peut comprendre une bague mise en place à l'intérieur du tube de la tête de combustion, ladite bague comportant des moyens de guidage propres à imprimer un mouvement de rotation à l'air de combustion. Selon une première variante, cette bague peut être en appui contre la surface interne du tube. Selon une seconde variante, cette bague peut être portée par le dispositif d'injection de combustible.Le dispositif d'injection de combustible peut comporter une pluralité de tubes d'injection de combustible, par exemple six, régulièrement répartis autour de l'axe de la tête, chaque tube d'injection étant ouvert transversalement à son extrémité voisine du déflecteur et radialement en amont du déflecteur pour la sortie du combustible ; dans ce cas, pour la seconde variante de réalisation susmentionnée, la bague est en appui contre la surface externe des tubes d'injection de combustible. Les moyens de guidage de ladite bague sont avantageusement constitués par des éléments en saillie radiale par rapport à la bague ; de préférence, les éléments en saillie radiale sont inclinés d'un même angle par rapport à l'axe du tube et répartis régulièrement suivant le contour de la bague. Ces éléments en saillie peuvent être constitués par des languettes, de forme générale rectangulaire, attenantes à la bague par un grand côté et rabattues en partie radialement, vers l'intérieur ou vers l'extérieur de la bague selon qu'il s'agit respectivement de la première ou de la seconde variante susmentionnée, de manière à faire saillie dans le passage d'air. L'invention est également relative à un brûleur à air soufflé, en particulier un brûleur à gaz, équipé d'une tête de combustion telle que définie précédemment. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos de deux exemples de réalisation décrits en se référant au dessin ci-annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ce dessin - la figure 1 montre, en coupe longitudinale axiale avec parties en extérieur et arrachées, une tête de combustion selon la première variante de l'invention - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 pour la seconde variante de l'invention. En se référant à la figure 1, on peut voir une tête de combustion 1, pour brûleur à gaz à air soufflé, comprenant un tube extérieur 2 ayant une partie d'extrémité 3 convergente. Le tube 2, à son extrémité opposée à la partie 3, est reçu dans une embase 4. Un déflecteur 5 est monté dans ladite partie d'extrémité 3 pour la stabilisation de la flamme. Ce déflecteur 5 peut comporter des fentes ou lumières, non visibles sur le dessin, pour le passage des gaz. En outre, le bord périphérique du déflecteur 5 est écarté de la surface interne de la partie 3 de sorte qu'un espace annulaire 6 subsiste pour le passage des gaz et de l'air autour du déflecteur 5. Des ailettes 7, orientées radialement, sont situées à l'intérieur du tube 2, en étant régulièrement réparties angulairement. L'arête interne 8 de chaque ailette 7 est parallèle à l'axe du tube 2.Le bord radial extérieur de chaque ailette 7 épouse la surface interne du tube 2 et de la partie d'extrémité 3. Le déflecteur 5 est guidé par les arêtes internes 8 des ailettes 7. Un dispositif 9 d'injection de combustible est prévu au niveau de la partie d'extrémité convergente 3, en amont du déflecteur 5. Ce dispositif d'injection 9 comprend une tubulure coudée 10 d'arrivée de gaz, présentant une branche 10a orthogonale à l'axe A du tube 2, pour raccordement à la conduite d'arrivée de gaz, et une branche 10b coaxiale à l'axe A. Sur la branche 10b est montée l'embase 11 du dispositif d'injection 9 comportant, par exemple, six tubes d'injection 12, écartés radialement de l'axe A, et régulièrement répartis angulairement autour de cet axe. L'axe d'un tube 12 est décalé angulairement par rapport au plan radial d'une ailette 7 d'un angle compris entre 5 et 20 pour faciliter l'homogénéisation du mélange air/gaz.Les tubes d'injection 12 sont ouverts transversalement à leur extrémité 13 voisine du déflecteur 5, légèrement en amont de ce déflecteur. Chaque tube 12 comporte des ouvertures radiales 14, dirigées vers l'extérieur et des ouvertures radiales 15 dirigées vers l'intérieur, pour la sortie du combustible gazeux. L'air comburant, par exemple soufflé par un ventilateur d'amenée d'air, circule dans la tête de combustion suivant la direction des flèches F et rencontre sensiblement à angle droit le combustible gazeux qui sort radialement par les orifices 14 et 15. Ceci est favorable à la création de turbulences et au mélange air comburant/ combustible. Les turbulences créées sont schématisées par les flèches incurvées T partant du passage annulaire 6. La tête de combustion comporte, à l'intérieur du tube 2, en amont du déflecteur 5 et en amont des ailettes 7, un dispositif 16 de mise en prérotation de l'air de combustion. Le dispositif de mise en prérotation 16 comprend une bague cylindrique 17 en appui contre la surface interne du tube 2. La bague 17 comporte des moyens de guidage 18 propres à imprimer un mouvement de rotation à l'air de combustion. La bague 17 est située légèrement en aval de la naissance des tubes d'injection 12. Les moyens de guidage 18 de la bague 17 sont constitués par des éléments 19 en saillie radiale vers l'intérieur de la bague 17, inclinés d'un même angle B par rapport à l'axe A du tube 2, et répartis régulièrement suivant le contour de la bague. Les éléments en saillie 19 sont avantageusement constitués par des languettes de forme générale rectangulaire, attenantes à la bague 17 par un grand côté 20 et rabattues en partie vers l'intérieur de la bague 17 de manière à faire saillie dans le passage d'air. Les languettes 19 communiquent à l'écoulement d'air une composante périphérique p laquelle, combinée avec la composante longitudinale 1, donne un vecteur vitesse V, pour l'écoulement d'air, incliné par rapport à l'axe A. L'air de combustion est ainsi mis en prérotation, ce qui permet d'augmenter la vitesse de l'air de combustion dans la flamme. Sur la figure 1, on a schématisé trois zones I, II, nI correspondant à trois phases de fonctionnement successives. La phase I, au niveau de la bague 17, correspond à la mise en prérotation de l'air comburant, avec augmentation de la vitesse absolue de cet air comburant par cette mise en prérotation. La phase II, au niveau des ailettes 7, entre la bague 17 et le déflecteur 5, correspond à l'homogénéisation du mélange air/gaz. La phase III se produit immédiatement en aval du déflecteur 5 et correspond à une recirculation des gaz de combustion. Ces trois phases de fonctionnement successives permettent d'obtenir la réduction du taux de NOx. L'augmentation de la vitesse intrinsèque de l'air de combustion, avec augmentation des turbulences, diminue le temps de séjour des produits de combustion dans les parties chaudes de la flamme et diminue la formation d'oxyde d'azote (NO) thermique. La forme convergente 3 de l'embout est choisie pour optimiser le recyclage naturel des produits de combustion situés dans le foyer. Ce recyclage permet d'abaisser la température de flamme par un mécanisme de dilution. L'abaissement de la température de flamme diminue également la formation de NO thermique. Sur la figure 2, on a représenté une tête de combustion selon la seconde variante de l'invention et l'on a utilisé, pour désigner les éléments correspondant à la réalisation de la figure 1, les mêmes numéros de référence affectés de l'indice a. La tête de combustion la ne sera donc pas à nouveau décrite en détail et on se limitera à la description de la partie qui est modifiée par rapport à la réalisation de la figure 1. La modification porte sur la réalisation du dispositif de mise en prérotation 16a. Ce dispositif comprend une bague cylindrique 17a qui est en appui contre les surfaces externes des six tubes d'injection de combustible 12a et qui est donc portée par le dispositif d'injection de combustible. La bague 17â est représentée sur la figure 2 en vue extérieure pour la partie inférieure de la figure, au-dessous du trait d'arrachement, la partie supérieure étant représentée en coupe axiale. La bague 17a comporte des moyens de guidage 18a propres à imprimer un mouvement de rotation à l'air de combustion. La bague 17 est située légèrement en aval de la naissance des tubes d'injection 12a. Les moyens de guidage 18a de la bague 17a sont constitués par des éléments 19a en saillie radiale vers l'extérieur de la bague 17a, inclinés d'un même angle par rapport à l'axe du tube 2 et répartis régulièrement suivant le contour de la bague 17a. Les éléments en saillie 19a sont avantageusement constitués par des languettes de forme générale rectangulaire, attenantes à la bague 17a par un grand côté 20a et orientées vers l'extérieur de la bague 17a de manière à faire saillie dans le passage d'air. Les languettes 19a communiquent à l'écoulement d'air une composante périphérique "pa", laquelle, combinée avec la composante longitudinale "la", donne, pour l'écoulement d'air, un vecteur vitesse Va incliné par rapport à l'axe du tube 2a. Comme dans le premier mode de réalisation, l'air de combustion est ainsi mis en prérotation, ce qui permet d'augmenter la vitesse de l'air de combustion dans la flamme. Toutes les autres caractéristiques de la tête de combustion représentée sur la figure 2, étant les mêmes que celles de la figure 1, ne seront pas décrites en détail. REVENDICATIONS 1. Tête de combustion, en particulier pour brûleur à air soufflé, comprenant: - un tube extérieur (2, 2a) ayant une partie d'extrémité (3) convergente - un déflecteur (5) monté dans ladite partie d'extrémité pour la stabilisation de la flamme - des ailettes (7) situées à l'intérieur du tube, en particulier au niveau de sa partie d'extrémité convergente, pour guider le déflecteur - et un dispositif (9) d'injection de combustible au niveau de la partie d'extrémité convergente, en amont du déflecteur, caractérisée par le fait qu'elle comporte, à l'intérieur du tube (2, 2a) et en amont du déflecteur (5), un dispositif de mise en prérotation de l'air de combustion (16, 16a). 2. Tête de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le dispositif de mise en prérotation (16, 16a) est situé en amont des ailettes (7). 3. Tête de combustion selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que le dispositif de mise en prérotation (16, 16a) comprend une bague cylindrique (17, 17a) mise en place à l'intérieur du tube (2, 2a), cette bague (17, 17a) comportant des moyens de guidage (18, 18a) propres à imprimer un mouvement de rotation à l'air de combustion. 4 - Tête de combustion selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la bague (17) est en appui contre la surface interne du tube (2). 5 - Tête de combustion selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la bague (17a) est portée par le dispositif d'injection (12a) de combustible. 6 - Tête de combustion selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le dispositif d'injection de combustible comporte une pluralité de tubes d'injection (12, 12a), chaque tube d'injection (12, 12a) étant ouvert transversalement à son extrémité (13) voisine du déflecteur (5) et comportant des ouvertures radiales (14, 15) pour la sortie du combustible. 7 - Tête de combustion selon les revendications 5 et 6 prises simultanément, caractérisée par le fait que la bague (17a) est en appui contre la surface externe des tubes d'injection (12a) de combustible. 8. Tête de combustion selon la revendication 3 prise seule ou en combinaison avec l'une des revendications 4 à 7, caractérisée par le fait que les moyens de guidage (18, 18a) de la bague (17, 17a) sont constitués par des éléments (19, 19a) en saillie radiale par rapport à la bague (17). 9. Tête de combustion selon la revendication 8, caractérisée par le fait que les éléments (19, 19a) en saillie radiale sont inclinés d'un même angle par rapport à l'axe du tube (2, 2a) et répartis régulièrement suivant le contour de la bague (17, 17a). 10. Tête de combustion selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée par le fait que les éléments (19, 19a) en saillie sont constitués par des languettes de forme générale rectangulaire, attenantes à la bague (17, 17a) par un grand côté (20, 20a) et rabattues en partie radialement par rapport à la bague (17, 17a), de manière à faire saillie dans le passage d'air. 11. Brûleur à air soufflé, en particulier brûleur à gaz, équipé d'une tête de combustion selon l'une des revendications 1 à 10.