Brevet FR2754333A1 — publié le 19980410

TITRE DE L'INVENTION INJECTION CENTRIFUGE ACTIVE La présente invention, concerne un dispositif améliorant les conditions d'injection dans les chambres de combustion des turbomoteurs, turboréacteurs ou autres générateurs, utilisant le principe de combustion d'un carburant liquide ou gazeux dans la veine d'air d'un tube à flamme. Dans ce genre de moteurs, la combustion consiste à brûler un mélange de carburant et d'air et à délivrer les gaz issus de la réaction vers la turbine, transformant ainsi l'énergie potentielle contenue dans le carburant en énergie calorifique. La combustion du point de vue chimique, est généralement une réaction d'oxydation d'un hydrocarbure de type CxHy qui fait apparaître une richesse Stcechiométrique (rapport idéal carburant/air ) qui varie suivant le carburant. Du point de vue physique, la combustion n'existe que dans une certaine stabilité, qui est idéale quand en un point quelconque la vitesse de propagation de la flamme est égale à la vitesse d'écoulement de l'air, et qui est obtenu en particulier si le mélange carburant/air est ni trop riche, ni trop pauvre pour des températures et des pressions données, la richesse idéale étant la richesse stoechiométrique. Pour répondre à ces impératifs, la majorité des chambre de combustion, qu'elles soient annulaires classiques, ou a écoulement inversé, disposent à l'intérieur de leur carter d' un tube à flamme dans lequel se stabilise la combustion. C'est lui qui supporte le ou les injecteurs de carburant dans sa partie amont. Il en résulte, que pour obtenir le bon mélange de combustion, une zone primaire est organisée autour de ces injecteurs, cette zone, permet de laisser pénétrer dans le tube à flamme environ 1/3 à 1/4 de la masse d'air qui se présente à l'entrée de la chambre, en provenance du compresseur principal et que l'on qualifie d'air primaire: c'est par le dosage du carburant apporté par le ou les injecteurs, que l'on régule la richesse du mélange , et que l'on créé et l'on maintient, les conditions de combustion et la stabilité de la flamme. Ainsi, divers systèmes d'injecteurs sont régulièrement utilisés : injecteurs simples, injecteurs doubles avec gicleurs concentriques, injecteurs à pré-vaporisation, injecteurs centrifuges etc.. Tous ces systèmes d'injection présentent des intérêts et des inconvénient spécifiques et permettent la régulation de la richesse du mélange par le dosage en permanence du carburant apporté en fonction du régime du compresseur et dans des conditions de pulvérisation plus ou moins efficaces. Cependant: - ils ne permettent pas de créer et de maintenir les conditions d'une combustion si la quantité d'air primaire apportée par le compresseur est insuffisante ou inexistante, ce qui est le cas de la phase de démarrage. - ils ne permettent pas de réguler la quantité d'air primaire apportée par le compresseur si cette quantité s'avère inadaptée au débit de carburant qu'ils injectent ce qui est le cas du fonctionnement général. - ils sont considérés comme passifs. La présente invention a donc pour but d'améliorer, d'une part, les conditions de pulvérisation du carburant et de mélange de l'air primaire et, d'autre part, de permettre de réguler le débit d'air primaire: soit pour créer les conditions de démarrage de l'ensemble du système sans autre apport à partir du stade repos, soit pour créer les conditions parfaites de combustion en régulant non seulement le débit de carburant mais aussi le débit d'air primaire. Le système de la présente invention est donc considéré comme actif et a pour conséquences, une optimisation du comportement général de la combustion allant dans le sens de l'amélioration du rendement global et de la limitation des émissions des produits polluants et une possibilité d'autoallumage allant dans le sens de la simplification du montage mécanique des dispositifs traditionnels de démarrage d'un générateur. Le dispositif selon l'invention, est constitué d'un ensemble tournant Fig 1 rep 1, comportant principalement une couronne de gicleurs et une roue aspirante, l'ensemble est accouplé à un moteur d'entraînement Fig 1 rep 3, le tout est placé dans un carter général Fig 1 rep 2. Dans une chambre de combustion, le dispositif selon l'invention, est généralement disposé à la place de l'injecteur classique Fig 2 rep 4, en entrée de la zone d'admission de l'air primaire Fig 2 rep 5, et en amont du tube à flamme Fig 2 rep 6. L'ensemble tournant selon l'invention, est constitué d'un arbre principal Fig 4 rep 15, portant une couronne de gicleurs Fig 4 rep 17, qui est reliée par une canalisation centrale Fig 4 rep 19,à la chambre d'admission du carburant Fig 3 rep 9, comme un injecteur centrifuge classique, mais sur lequel est fixé à l'une de ses extrémité, une roue aspirante Fig 4 rep 16 La roue aspirante de l'ensemble tournant, Fig 4 rep 16, est généralement de type centrifuge, mais peut aussi être hélicocentrifuge, axiale ou autre. Elle est placée dans une chambre d'aspiration Fig 3 rep 10, qui est suivie d'une chambre de détente Fig 3 rep 11, ces chambres sont disposées de telle sorte, que l'air périphérique aspiré par la roue, quand elle est en mouvement, soit dirigé du fait de leurs profils en entrée du tube à flamme Fig 3 rep 12. La couronne de gicleurs de l'ensemble tournant Fig 4 rep 17, assure la pulvérisation du carburant par centrifugation et est disposée sur l'arbre principal . Elle est généralement placée en amont de la roue aspirante afin de favoriser le mélange de la pulvérisation et du flux d'air de combustion ou air primaire mais elle peut être disposée en aval, ou de part et d'autre en double couronne. L'injection se fait donc par centrifugation dés lors que l'ensemble est en mouvement. Le brouillard de carburant est en grande partie pré-mélangé à l'air primaire avant de pénétrer dans le tube à flamme L'apport et le dosage du carburant en entrée de la chambre d'admission Fig 3 rep 13, sont généralement réalisés par des moyens extérieurs au dispositif ( pompes, vannes, clapets etc ..) et sont sous le contrôle d'un système de régulation. Ils peuvent cependant être intégrés en tout ou partie dans la chambre d'admission. Le transfert de carburant entre l'alimentation statique et la canalisation de l'arbre tournant est réalisé dans la chambre d'admission Fig 3 rep 9, par des orifices ménagés dans l'arbre Fig 4 rep 18. Le carter général selon l'invention, Fig 1 rep 2, est séparé ou intégré au carter de la chambre de combustion. Il est aménagé intérieurement de telle sorte à présenter, une chambre d'admission du carburant Fig 3 rep 9, une chambre d'aspiration Fig 3 rep 10, suivie d'une chambre de détente Fig 3 rep 11. Le contour intérieur de la chambre d'aspiration respectera le profil extérieur de la roue aspirante utilisée, et celui de la chambre de détente conduira à redresser le flux créé pour le diriger dans l'entrée du tube à flamme, enfin celui de la chambre d'admission favorisera l'écoulement du carburant, son transfert dans la canalisation centrale et l'étanchéité de l'ensemble. Qu'il soit présenté en un ou plusieurs morceaux, le carter général, assurera avec l'aide des guidages appropriés ( roulements, coussinets, paliers etc ..) la qualité et la régularité du fonctionnement de l'ensemble tournant et la conduction de sa lubrification. Les éléments seront dimensionnés de telle sorte à résister aux efforts axiaux et radiaux, aux vibrations et autres contraintes de fonctionnement que l'on rencontre dans ce genre de montage, à haut régime et à forte température. Enfin selon l'invention, un moteur d'entraînement Fig 1 rep 3, est accouplé à l'autre extrémité de l'arbre principal et généralement fixé au carter général. Ce moteur d'entraînement et son alimentation sont largement dimensionnés pour répondre aux efforts qui sont demandés par la mise en mouvement de l'ensemble tournant et sa régulation, le moteur étant équipé des dispositifs nécessaires pour permettre à tout moment la connaissance exacte de son régime de fonctionnement et en permettre la modulation. Le premier mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention correspond au démarrage du générateur: Au stade repos, le moteur d'entraînement activé par son alimentation, met en mouvement l'ensemble tournant, provoquant ainsi la création d'une circulation d'air primaire élémentaire, proportionnelle à l'effet de la roue aspirante et donnant la possibilité de pulvériser par centrifugation la quantité requise de carburant. Dans ces conditions il est donc possible de créer une flamme élémentaire dont l'énergie calorifique va entraîner la mise en mouvement de la turbine du générateur Fig 2 rep 7, qui par conséquence entraîne le compresseur principal Fig 2 rep 8, et provoquer un complément d'apport d'air primaire permettant d'augmenter l'apport en carburant et ainsi accroître la puissance de la flamme. La mise en mouvement va s'accélérer suivant une régulation progressive et contrôlée, à la fois en apport de carburant, et en variation du régime du moteur d'entraînement, jusqu'à atteindre un seuil d'autoentretient à partir duquel le compresseur fournit en quantité et en pression, l'air général et primaire, suffisamment pour se passer de l'action du moteur d'entraînement. Le second mode de fonctionnement, du dispositif selon l'invention, concerne le cycle général de fonctionnement du générateur et le place dans un mode de fonctionnement traditionnel passif: Le seuil d'auto-entretient ayant été dépassé, le compresseur apporte suffisamment de masse d'air à la pression requise. Par construction, la roue aspirante se retrouve sous l'effet de cet apport et devient motrice à la place du moteur d'entraînement qui est désactivé voire désaccouplé. En devenant motrice elle produit l'effet nécessaire pour la centrifugation du carburant: la régulation de l'ensemble se faisant de manière traditionnelle principalement par la gestion du débit de carburant. Le troisième mode de fonctionnement, selon l'invention, concerne aussi le même cycle général mais place le générateur dans un mode de contrôle actif: Dès lors que la roue aspirante devient motrice, sous l'effet de l'apport de l'air du compresseur, contrairement au deuxième mode, le moteur d'entraînement reste activé de telle sorte que l'on puisse l'accélérer si l'on veut compléter l'afflux d'air primaire ou au contraire le ralentir si l'on veut contrarier et réduire cet afflux. En utilisant la variation du régime moteur on a un moyen idéal qui permet l'ajustement de l'air primaire , à la quantité de carburant pulvérisée. La régulation de l'ensemble, pouvant jouer à la fois sur le débit du carburant et sur celui de l'air primaire, ce mode de fonctionnement permet d'approcher à tout moment les conditions idéales de combustion pour un régime donné du générateur, comme il n'est pas permis de le faire dans le mode précédent et dans la présentation traditionnelle passive. Le dernier mode de fonctionnement, selon l'invention est un mode intermédiaire que l'on qualifie d'assisté. Il s'agit en fait d'un mode où le générateur est maintenu stabilisé à un régime inférieur au seuil d'auto-entretient. On y parvient, soit, en interrompant le processus de démarrage, ou soit, inversement en interrompant le cycle d'arrêt, dés que l'on rencontre le régime choisi. La stabilisation est obtenue en maintenant l'équilibre de combustion par le jeu de la variation de l'action du moteur d'entrainement et l'effet de la roue aspirante qui lui est accouplé et par la régulation du débit de carburant. Dans ce cas la stabilisation ne peut pas se passer de l'action du moteur d'entrainement qui reste actif en permanence. Ce mode de fonctionnement assisté, convient pour les régimes de ralentis, mais devient un mode de fonctionnement général pour certains type de générateurs, miniatures, ou de faible puissance, ou trés particuliers. Par son mode de fonctionnement assisté, le dispositif selon l'invention devient essentiel pour le fonctionnement de générateurs, où l'apport d'énergie calorifique représente le complément à l'apport de l'énergie électrique fait au système. Le dispositif selon l'invention doit amener à la reconception de certains turbomoteurs, turboréacteurs, ou autres générateurs, en particulier si l'amélioration du rendement est significative, si les normes de pollutions exigent son utilisation et en tous les cas chaque fois que l'on veut résoudre d'une manière simple la mise en route générale du générateur, soit dans tous les cas pour une amélioration des coûts de production, soit dans les cas de moteurs miniatures quand on ne peut faire autrement. Il permet de concevoir de nouvelles formes de générateurs, utilisant essentiellement le mode de fonctionnement assisté. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'injection centrifuge, principalement destiné à la pulvérisation d'un fluide ou d'un gaz dans une chambre de combustion d'un turbomoteur, turboréacteur, ou autre générateur. comportant: un ensemble un tournant-F~g-I-regUAL,accouple à un moteur d'entraînement Fig 1 rep 3, portant sur un arbre principal une couronne de gicleurs Fig 4 rep 17, et une roue aspirante Fig 4 rep 18, le tout placé dans un carter Fig 1 rep 2, et disposé généralement dans la chambre de combustion en entrée de la zone d'admission de l'air primaire Fig 2 rep 5 et en amont du tube à flamme Fig 2 rep 4. caractérisé, en ce que l'élément tournant puisse être mis en mouvement par le moteur d'entraînement et puisse créer en même temps: - la pulvérisation du carburant par centrifugation des gicleurs, - un flux d'air, proportionnel à l'effet d'aspiration de la roue, complétant ou contrariant tout ou partie du flux général d'air primaire apporté par le compresseur principal, - Le mélange du carburant pulvérisé et de l'air primaire, avant leur combustion. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régime du moteur d'entraînement et le débit du carburant sont placés sous contrôle d'un ou plusieurs systèmes de régulation, et puissent être adaptés à tout moment en vitesse et en quantité, compte tenu des circonstance. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il soit possible, à partir du stade repos de créer les conditions d'allumage et de stabilité d'une flamme, sans l'aide d'autres dispositifs, dans le tube à flamme Fig 2 rep 6 , et d'entraîner le démarrage du générateur par augmentation progressive et contrôlée de la puissance de la flamme, ou de le maintenir dans un régime intermédiaire en arrêtant 1' augmentation progressive et en stabilisant la puissance de la flamme. 4) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il soit possible dans le fonctionnement général, de créer les conditions idéales de combustion en ajustant à la fois le débit du carburant par son système de régulation et le débit d'air primaire provenant du compresseur, par l'action de la variation du régime du moteur d'entraînement de la roue aspirante. 5) Dispositif selon les revendications 1,2 et 4, caractérisé en ce qu'il soit possible dans le fonctionnement général de laisser libre la rotation de la roue aspirante en désactivant ou désaccouplant le moteur d'entraînement et ainsi de reproduire les conditions traditionnelles de régulation par le débit du carburant. 6) Dispositif selon les revendications 1, 4 et 5 caractérisé en ce que la roue aspirante dans le fonctionnement général, se retrouve motrice sous l'effet de l'apport de l'air primaire du compresseur, et assure naturellement la centrifugation quand elle est laissée libre en rotation. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la roue aspirante de l'ensemble tournant est généralement de type centrifuge, mais peut être hélicocentrifuge, axiale ou autre. Caractérisé en ce qu'elle est placée dans un chambre d'aspiration Fig 3 rep 10, dont l'entrée fig 3 rep 14 correspond à la zone d'admission de l'air primaire Fig 2 rep 5, qui est suivie d'une chambre de détente Fig 3 rep 11, dont la sortie Fig 3 rep 12, débouche dans le tube à flamme Fig 2 rep 6. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre principal de l'ensemble tournant est traversé par une canalisation centrale Fig 4 rep 19 qui conduit le carburant de la chambre d'admission Fig 3 rep 9, à la couronne de gicleurs Fig 4 rep 17, et caractérisé en ce que le transfert de carburant entre l'alimentation statique et la canalisation de l'arbre tournant est réalisé dans la chambre d'admission par des orifices ménagés dans l'arbre Fig 4 rep 18. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pulvérisation est obtenue par centrifugation du carburant à travers la couronne de gicleurs Fig 4 rep 3, qui est généralement placée en amont de la roue aspirante, mais qui peut être disposée en aval ou de part et d'autre en double couronne. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'apport et le dosage du carburant en entrée de la chambre d'admission Fig 3 rep 13, sont généralement réalisés par des dispositifs extérieurs placés sous contrôle d'un système de régulation, et puissent être intégrés en tout ou partie dans la chambre d'admission. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter général Fig 1 rep 2, du dispositif peut être réalisé en un ou plusieurs morceaux et présenté isolé ou intégré à la chambre de combustion.