Brevet FR2765952A1 — publié le 19990115

BUSE DE PULVEÉRISATEUR POUR LA PULVÉRISATION DU CARBURANT DANS DES BRULEURS L'invention concerne une buse de pulvérisateur pour la combustion en mélange maigre, avec prévaporisation et prémélange, de carburants liquides, en particulier dans des turbines à gaz. La combustion en mélange maigre avec prévaporisation et prémélange, dans des chambres de combustion de turbine à gaz permet une importante réduction de l'émission d'oxyde d'azote. Dans le cas de ce type de combustion, le carburant est vaporisé dans la buse ou sur une ligne de prévaporisation et est mélangé à l'air, avant que le mélange brûle dans la chambre de combustion. Les expressions "prévaporisation" et "prémélange" signifient que la vaporisation et le mélange ont lieu en avant de la zone de combustion. Dans le cas d'une vaporisation et d'un mélange complets, la combustion se fait dans des conditions de mélange maigre, c'est-à-dire avec un excès d'air et à basses températures, ce qui conduit à des émissions d'oxyde d'azote plus faibles. Une vaporisation incomplète du carburant conduit à une combustion dans une flamme de diffusion autour des gouttes de carburant. La combustion s'y stabilise dans des zones presque stoechiométriques, c'est-à-dire pour des proportions presque identiques d'oxygène et de carburant. Il en résulte une température de combustion locale élevée avec une émission d'oxyde d'azote élevée. On connaît, par exemple, par DE-A-37 29 861, des buses pour la combustion en mélange maigre avec prévaporisation et prémélange. Habituellement le carburant liquide est injecté dans la buse ou pulvérisé, sous l'action d'un flux d'air, à partir d'une arête de décollement des filets fluides. Lors de cette pulvérisation primaire apparaît un brouillard dans lequel le carburant se trouve dans l'air aussi bien sous forme liquide (gouttes) que sous forme gazeuse. Dans le cas des buses connues, la pulvérisation du carburant se fait déjà avec de l'air en rotation. Les flux d'air, généralement animés d'un mouvement de rotation en sens opposé, doivent en même temps pulvériser le carburant et homogénéiser le mélange grâce à une turbulence élevée dans la couche de cisaillement des deux flux d'air. Par EP-A-0 660 038 on connait une autre buse de ce type comportant un espace sous pression, un premier canal annulaire qui part de cet espace sous pression et présente, à une extrémité, une entrée et à l'autre extrémité une sortie, un dispositif d'alimentation en carburant par lequel on introduit le carburant dans le premier canal annulaire, un second canal annulaire qui entoure le premier canal annulaire, comporte une entrée d'air sous pression et contient des éléments de mise en rotation et dont la sortie entoure celle du premier canal annulaire ainsi qu'un tube de buse qui se raccorde à la sortie du second canal annulaire, va en se rétrécissant dans le sens de l'écoulement et forme un prémélangeur. L'invention a pour but d'améliorer la combustion en mélange maigre, avec prépulvérisation et prémélange, dans des chambres de combustion de turbine à gaz de façon à abaisser l'émission d'oxyde d'azote. Selon l'invention, on atteint ce but par le fait que le dispositif d'alimentation en carburant est disposé dans la zone d'entrée du premier canal annulaire, le premier canal annulaire formant un organe de prévaporisation dans lequel pratiquement la totalité du carburant introduit est vaporisé. La buse de pulvérisateur selon l'invention comporte un espace sous pression d'o provient l'air. De l'espace sous pression part un premier canal annulaire dans l'entrée duquel du carburant est amené par un dispositif d'alimentation, le carburant se pulvérisant pour donner un brouillard. Le dispositif d'alimentation peut être disposé dans ou avant l'entrée du premier canal annulaire. Le premier canal annulaire est entouré d'un second canal annulaire dans lequel s'écoule de l'air sous pression et qui contient des éléments pour imprimer à l'air un mouvement de rotation. Les sorties des deux canaux annulaires débouchent dans un tube de buse qui se rétrécit dans la direction de l'écoulement. Le carburant introduit est à nouveau pulvérisé dans le premier canal annulaire, par un flux d'air de pulvérisation faiblement turbulent, qui n'est pas animé d'un mouvement de rotation. Lors de cette pulvérisation secondaire, toutes les gouttes de carburant sont pratiquement pulvérisées ou vaporisées, puisque, du fait du flux d'air de pulvérisation qui n'est pas animé d'un mouvement de rotation, on peut maintenir une vitesse relative élevée entre l'air et les grosses gouttes suffisamment longtemps pour pulvériser les grosses gouttes en petites gouttes qui se vaporisent alors complètement pendant leur séjour dans la buse. Les données qui déterminent le taux de pulvérisation que l'on peut obtenir sont la répartition granulométrique des gouttes et le temps de séjour dans la buse, qui est limité par le temps d'auto-allumage du carburant dans l'air dans des conditions données de pression et de température. Avec des petites gouttes, il se fait une pulvérisation presque complète, ce qui, lors de la combustion qui suit, conduit à une plus faible émission d'oxyde d'azote. Aux sorties des deux canaux annulaires, le mélange carburant-air, qui n'est pas animé d'un mouvement de rotation, provenant du premier canal annulaire et le flux d'air mélangé, animé d'un mouvement de rotation, provenant du second canal annulaire, se rencontrent. A l'intérieur du tube de buse se fait un mélange des deux flux d'air de sorte qu'apparaît un mélange carburant- air maigre et homogène. L'homogénéisation des mélanges dans la buse se fait par la turbulence dans la couche de cisaillement entre l'air de pulvérisation, qui n'est pas animé d'un mouvement de rotation et le mélange d'air animé d'un mouvement de rotation. Dans la buse de pulvérisateur selon l'invention, la pulvérisation et la prévaporisation d'une part et le prémélange d'autre part se font dans des zones distinctes. La prévaporisation se fait avec un flux d'air non animé d'un mouvement de rotation, de vitesse élevée, à l'intérieur du premier canal annulaire, tandis que le prémélange qui vient à la suite se fait dans le tube de buse au moyen d'un flux d'air animé d'un mouvement de rotation provenant du second canal annulaire. Il apparaît ainsi un mélange carburant-air homogène contenant du carburant complètement vaporisé qui brûle avec une plus faible émission d'oxyde d'azote dans la chambre de combustion qui jouxte la buse de pulvérisateur. De préférence, le premier canal annulaire entoure un corps intérieur qui est orienté axialement et s'étend jusque dans le tube de buse. Ce corps intérieur présente avantageusement à son extrémité située en aval, au moins une ouverture de sortie d'air, cet air empêchant le décollement de l'écoulement du mélange carburant-air. De préférence, le dispositif d'alimentation en carburant présente un corps annulaire autour duquel s'écoule de l'air qui n'est pas animé d'un mouvement de rotation et qui, à son extrémité située en aval, se transforme en une languette annulaire présentant une arête de décollement des filets de fluide, le corps étant muni, sur sa périphérie, d'au moins une ouverture de sortie du carburant. De cette façon, l'air répartit le carburant sur la languette et le décolle sur l'arête de décollement. De préférence, l'air est préchauffé à 350-700 C; l'air a une vitesse de pénétration de 80 à 130 m/s et une pression de 3 à plus de 50 bars. L'alimentation en air et l'alimentation en carburant sont telles que le mélange carburant-air présente un indice d'air d'environ 2. D'autres conceptions avantageuses résultent du dessin. On explique en détail ci-dessous un exemple de réalisation de l'invention à l'aide des dessins. La figure 1 représente en coupe longitudinale la buse de pulvérisateur et la figure 2 représente une cloison avec des éléments pour la mise en mouvement de rotation. La buse de pulvérisateur 1, représentée sur la figure 1, est reliée, par une entrée d'air 2, à une source de pression non représentée, comme par exemple un compresseur, qui fournit de l'air chaud à une température d'environ 350 à 700 C et à une vitesse de 80 à 130 m/s. L'air pénètre dans la buse de pulvérisateur sous une pression de 3 à plus de 50 bars. L'entrée d'air 2 est de forme annulaire, sa section allant en se rétrécissant vers l'aval, c'est-à-dire en s'éloignant de la source de pression, de façon à accélérer l'air. A l'entrée d'air 2 se raccorde un tube de buse 3 dont le diamètre va en se rétrécissant de façon continue dans le sens du flux. A l'extrémité située à l'aval du tube de buse 3 se raccorde un diffuseur 4 dont la section s'agrandit dans le sens de l'écoulement pour ralentir le flux d'air et produire des tourbillons dans la chambre de combustion 5 qui se raccorde au diffuseur 4. Les transitions entre l'entrée d'air 2, le tube de buse 3 et le diffuseur 4 sont continues, c'est-à-dire qu'il n'y a aucune arête faisant obstacle à l'écoulement. Dans l'entrée d'air 2 et dans le tube de buse 3 s'étend un corps intérieur 6 qui est disposé axialement et qui guide l'écoulement de l'air dans la zone intérieure de l'entrée d'air 2 et du tube de buse 3. Dans l'espace annulaire intermédiaire 7 situé entre la paroi intérieure de l'entrée 2 et le corps intérieur 6 se trouve un dispositif d'alimentation 8 pour le carburant liquide. Le dispositif d'alimentation 8 est constitué d'un corps annulaire 9 qui entoure le corps intérieur 6 et qui est fixé à l'entrée d'air 2 par des jambes de maintien 10. Les jambes de maintien 10 maintiennent également le corps intérieur 6. Dans au moins l'une des jambes de maintien 10, une conduite de carburant 11 passe jusque dans le corps annulaire 9. Un canal périphérique annulaire 12 s'y raccorde; il est situé à l'intérieur du corps annulaire 9 et reçoit le carburant. En aval, le corps annulaire 9 se termine par une languette 13 qui se termine elle-même par une arête de décollement des filets fluides 14. L'arête de décollement 14 se trouve dans la zone de transition entre l'entrée d'air 2 et le tube de buse 3. Le canal annulaire de carburant 12 se continue vers l'aval à l'intérieur du corps annulaire 9 et présente, au début de la languette 13, une ouverture annulaire 15 par laquelle le carburant sort et recouvre d'un film la languette. L'ouverture annulaire 15 se trouve sur la face extérieure du corps annulaire 9. C'est dans la zone de la languette 13, mouillée par le film de carburant, que l'espace intérieur 7 de l'entrée 2 a sa section la plus faible. C'est dans cette zone que le corps annulaire 6 a son diamètre le plus grand, la largeur de la zone de passage pour l'air étant environ divisée par deux en comparaison de la zone de l'entrée d'air 2. L'air qui pénètre a donc ici une vitesse élevée. Le flux d'air qui pénètre, sans mouvement de rotation, s'écoule autour du corps annulaire 9 et de la languette 13 à l'intérieur et à l'extérieur et pousse sur l'arête de décollement 14 le carburant qui se trouve sur la face extérieure de la languette 13. Le flux d'air décolle et entraîne le carburant sur l'arête de décollement 14, ce qui fait apparaître un brouillard 16 constitué d'air et de gouttes de carburant. Dans la zone d'entrée du tube de buse 3 se trouve une cloison annulaire 17 qui divise l'espace de buse 18 qui se trouve entre le corps intérieur 6 et le tube de buse 3 en un premier canal annulaire 19 situé à l'intérieur et un second canal annulaire 20 situé à l'extérieur. Le premier canal annulaire 19 est limité par le corps intérieur 6 et par la cloison 17. Le second canal annulaire 20, disposé concentriquement au premier canal annulaire 19, est limité par la cloison 17 et le tube de buse 3. A leurs extrémités situées en amont, les deux canaux annulaires 19, 20 sont reliés à l'entrée d'air 2. A leurs extrémités situées en aval, les deux canaux annulaires 19, 20 sont reliés à l'espace de buse 18. Dans la zone d'entrée, située en amont, du premier canal annulaire 19 est disposée une arête de décollement des filets fluides 14. Le brouillard 16 qui se forme après l'arête de décollement 14 est envoyé à travers le premier canal annulaire 19 par le flux d'air. En parcourant le premier canal annulaire 19, le mélange en brouillard 16 s'élargit en direction des parois. La hauteur du premier canal annulaire 19 est étudiée de façon qu'aucune goutte de carburant ne mouille les parois. Le fait que des parties intérieures de la buse de pulvérisateur 1 soient mouillées par du carburant aurait pour conséquence que le carburant séjournerait trop longtemps dans la buse de pulvérisateur 1 et que, du fait de la température élevée et de la pression de l'air qui pénètre, il s'enflammerait déjà à l'intérieur de la buse de pulvérisateur 1 et pas seulement dans la chambre de combustion 5. s Le décollement du film de carburant sur l'arête de décollement 14 est désigné sous le nom de pulvérisation primaire. Des gouttes de carburant plus ou moins grosses y apparaissent. Dans le premier canal annulaire 19 se produit la pulvérisation dite secondaire du carburant. Du fait de la vitesse relative élevée entre l'air qui pénètre, sans mouvement de rotation, et les gouttes de carburant, ces gouttes de carburant se pulvérisent dans le premier canal annulaire 19 pour donner des gouttes de carburant plus petites. L'air qui s'écoule, des deux côtés, le long de l'arête de décollement 14 entoure le mélange carburant- air 16 qui se forme après l'arête de décollement 14. Ceci réduit le risque de dépôt de carburant contre les parois du premier canal annulaire 19. Les gouttes de carburant, plus petites, se vaporisent du fait de la température de l'air, ce pour quoi le premier canal annulaire 19 est également désigné sous le nom de zone de prévaporisation VZ. La longueur du premier canal annulaire 19 est choisie de façon que le plus grand nombre possible de gouttes de carburant se vaporisent, ce qui peut être obtenu grâce à un temps de séjour élevé du carburant, toutefois le temps de séjour n'est pas suffisant pour que se produise un auto-allumage du carburant à l'intérieur de la buse de pulvérisateur 1. Dans le second canal annulaire 20 se trouvent des éléments de mise en mouvement de rotation 21 qui entraînent en rotation l'air qui pénètre axialement dans le second canal annulaire 20, c'est-à-dire qu'ils donnent au flux d'air une composante périphérique. Sur la figure 2 un détail de la cloison 17 est représenté en vue de dessus. Les éléments de mise en mouvement de rotation 21 ont la forme de chicanes cintrées, l'importance du mouvement de rotation de l'air étant déterminée par le degré de courbure. L'air mis en mouvement de rotation pénètre, à l'extrémité avant du second canal annulaire 20, dans l'espace de buse 18 et y rencontre le mélange carburant-air 16 qui s'écoule sans mouvement de rotation. Dans l'espace de buse 18, qui forme la zone de prémélange MZ, le mélange carburant-air 16 et l'air en mouvement de rotation se mélangent pour donner un mélange homogène; selon la conception de la turbine à gaz on obtient un indice d'air d'environ 2, désiré pour la combustion en mélange maigre. "Indice d'air 2" signifie qu'il y a une quantité d'air double de ce qu'elle est pour une combustion stoechiométrique. Du fait de la diminution continue de la surface de section de l'espace de buse 18, le mélange carburant-air accélère de façon continue, de sorte qu'il ne peut y avoir dans l'espace de buse 18 ni décollement du flux ni rétro-écoulements. A l'extrémité aval du tube de buse 3, le corps intérieur 6 se termine par une pointe. Cette pointe présente une sortie d'air 22 qui est reliée à un canal d'entrée 23 et à un espace creux intérieur 24 du corps intérieur 6. Dans le canal d'entrée 23 pénètre, dans la zone du dispositif d'alimentation 8, de l'air qui est guidé dans l'espace creux 24. Du fait de la diminution de section de l'espace creux 24, l'air y est accéléré, de sorte que sa vitesse est adaptée à celle de l'air qui s'écoule autour du corps intérieur 6. A l'extrémité de l'espace creux 24 l'air sort par la sortie d'air 22 et empêche un décollement et un tourbillonnement du flux derrière la pointe du corps intérieur 6. Le corps intérieur 6, le contour intérieur du tube de buse 3 et les éléments de mise en mouvement de rotation 21 sont réalisés de façon que, pour un flux d'air approprié, le mélange carburant-air 16 ne parvienne ni contre le corps intérieur 6 ni contre le tube de buse 3. Dans le diffuseur 4, le mélange carburant-air qui s'écoule s'élargit et entre, en tourbillonnant, dans la chambre de combustion 5 o il s'enflamme. REVENDICATIONS 1. Buse de pulvérisateur (1) pour la pulvérisation de carburant dans des brûleurs, en particulier pour des turbines à gaz, comportant un espace sous pression, un premier canal annulaire (19) qui part de cet espace sous pression et présente, à une extrémité, une entrée et à l'autre extrémité une sortie, un dispositif d'alimentation (8) qui amène du carburant dans le premier canal annulaire (19), un second canal annulaire (20) qui entoure le premier canal annulaire (19), comporte une entrée d'air sous pression et contient des éléments de mise en mouvement de rotation (21) et dont la sortie entoure celle du premier canal annulaire (19) ainsi qu'un tube de buse (3) qui se raccorde à la sortie du second canal annulaire (20), va en se rétrécissant dans le sens de l'écoulement et forme un prémélangeur (18), caractérisée par le fait que le dispositif d'alimentation (8) est disposé dans la zone d'entrée du premier canal annulaire (19), le premier canal annulaire (19) formant un organe de prévaporisation dans lequel pratiquement la totalité du carburant introduit est vaporisé. 2. Buse de pulvérisateur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le premier canal annulaire (19) entoure un corps intérieur (6) qui est orienté axialement et s'étend jusque dans le tube de buse (3). 3. Buse de pulvérisateur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le corps intérieur (6) présente, à son extrémité située en aval, au moins une ouverture de sortie d'air (22) qui empêche le décollement de l'écoulement du mélange carburant-air. 4. Buse de pulvérisateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le dispositif d'alimentation (8) présente un corps annulaire (9) autour duquel s'écoule de l'air sans mouvement de rotation et qui, à son extrémité située en aval, se transforme en une languette annulaire (13) présentant une arête de décollement des filets fluides (14), au moins une ouverture de sortie (15) pour le carburant étant prévue sur le corps annulaire (9), sur la périphérie, de sorte que l'air répartit le carburant sur la languette (13) et le décolle sur l'arête de décollement des filets fluides (14). 5. Buse de pulvérisateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que l'air qui pénètre est préchauffé à une o température de 350-700 C. 6. Buse de pulvérisateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la vitesse de pénétration de l'air est de 80- m/s. 7. Buse de pulvérisateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que l'air pénètre avec une pression de 3 à plus de bars. 8. Buse de pulvérisateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que les entrées d'air et le dispositif d'alimentation (8) sont construits de façon que le mélange carburant-air présente un indice d'air d'environ 2.