Brevet FR2772890A1 — publié le 19990625

La présente invention concerne un ensemble de mélange d'air et d'un combustible du type à écoulement radial vers l'intérieur, destiné à un appareil de combustion, tel que des brûleurs de moteur à turbine à gaz. Elle s'applique en particulier à des turbines à gaz à combustible gazeux. Des considérations de rendement et d'environnement indiquent qu'il est primordial de s'assurer que les concen- trations d'émission de polluants par les appareils de combustion restent aussi faibles que possible et on a proposé diverses mesures à cet effet. Par exemple, dans le domaine des moteurs à turbine à gaz, on connaît des systèmes de combustion à "combustion pauvre". Dans ces systèmes, le rapport air-combustible correspond au rapport stoechiomé- trique ou lui est proche et, plus précisément, lorsque le moteur fonctionne à pleine charge ou près de celle-ci, des polluants nuisibles, notamment CO, NOx et des hydrocarbures imbrûlés, sont produits en sortie en quantité relativement faible. Cependant, pour de plus faibles charges, les confi- gurations connues à combustion pauvre peuvent ne pas présenter autant d'avantages et notamment on peut rencontrer des difficultés pour maintenir la stabilité de la flamme, puisque la flamme peut même s'éteindre à cause d'une trop faible teneur en combustible et d'une faible vitesse du mélange. Les propositions présentées pour la solution de ces problèmes ont mis en oeuvre en général des ensembles compli- qués d'ajustement du fonctionnement du moteur pour en accroître les performances à faible charge. On a proposé notamment des ensembles à étages de combustible tels que le combustible est injecté dans des étages en fonction de la charge avec laquelle fonctionne le moteur, des étages sup- plémentaires étant mis en fonctionnement lorsque la charge du moteur augmente. Dans d'autres ensembles, une flamme pilote est entretenue par injection de combustible directe- ment axialement au centre d'un organe de tourbillonnement qui forme une zone centrale riche en combustible qui augmente la stabilité de la flamme. Cependant, les systèmes à flamme pilote donnent habituellement des concentrations plus élevées de polluants, lors du fonctionnement à faible charge. Tous ces ensembles nécessitent des systèmes de commande relativement compliqués pour que la quantité riche en combustible soit injectée au bon moment et au bon emplacement. La présente invention a pour objet la réalisation d'un ensemble simple et efficace de mélange d'air et de combus- tible du type à écoulement radial vers l'intérieur qui s'adapte au débit d'injection de combustible pour assurer une combustion efficace avec création de faibles concentrations de polluants nuisibles à la sortie. L'invention concerne un ensemble de mélange d'air et de combustible du type à écoulement radial vers l'intérieur destiné à un appareil de combustion, comprenant un dispo- sitif de mélange dans lequel de l'air et un combustible sont mélangés pour former un mélange de combustible et d'air et un premier dispositif à conduit tel qu'une première propor- tion du mélange d'air et de combustible est transmise du dispositif de mélange à une zone de combustion; selon l'invention, un dispositif de division du courant est des- tiné à recevoir une seconde proportion du mélange d'air et de combustible du dispositif de mélange, et un second dispo- sitif à conduit est destiné à transmettre cette seconde proportion du dispositif de division du courant à la zone de combustion. De préférence, le dispositif de mélange comprend un dispositif primaire à organe de tourbillonnement. De préfé- rence, le dispositif de déviation du courant comprend un dispositif secondaire à organe de tourbillonnement. Dans un autre aspect, l'invention concerne un ensemble de mélange d'air et de combustible destiné à un appareil de combustion qui comporte un dispositif à organe primaire de tourbillonnement dans lequel de l'air et un combustible sont mélangés pour former un mélange d'air et de combustible et un premier dispositif à conduit destiné à transmettre une première proportion du mélange du dispositif à organe primaire de tourbillonnement à une zone de combustion; selon l'invention, un dispositif à organe secondaire de tourbillonnement est disposé afin qu'il reçoive une seconde proportion du mélanger et un second dispositif à conduit est destiné à transmettre la seconde proportion du dispositif à organe secondaire de tourbillonnement à la zone de combustion. Le dispositif primaire à organe de tourbillonnement comporte de préférence plusieurs ailettes qui délimitent des passages intermédiaires destinés à créer un courant de mélange, ce courant ayant une composante dirigée radiale- ment. Le dispositif secondaire à organe de tourbillonnement comprend de préférence plusieurs ailettes délimitant des passages intermédiaires destinés à produire un courant ayant une seconde proportion, ce courant ayant une composante dirigée radialement. Chaque passage du dispositif primaire à organe de tourbillonnement a de préférence au moins un orifice d'injection de combustible qui lui est associé pour la transmission du combustible au passage. Un dispositif de protection peut être incorporé afin qu'il protège l'orifice ou les orifices d'injection de combustible du courant d'air qui pénètre dans les passages du dispositif primaire à organe de tourbillonnement. La disposition peut être telle que, lorsque le débit d'entrée du combustible dans le dispositif de mélange augmente, la première proportion augmente, ou de manière que lorsque le débit d'entrée du combustible dans le premier dispositif à organe de tourbillonnement augmente, la pre- mière proportion augmente. Le second dispositif à conduit peut comprendre un tube dont l'extrémité amont est solidaire du dispositif secon- daire à organe de tourbillonnement ou est fixée à ce dispo- sitif. Le dispositif secondaire à organe de tourbillonnement peut être placé radialement vers l'intérieur du dispositif primaire à organe de tourbillonnement. Le dispositif secondaire à organe de tourbillonnement peut avoir un volume efficace plus petit que le dispositif primaire à organe de tourbillonnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 représente un organe de combustion d'une turbine à gaz qui possède un ensemble classique de mélange d'air et de combustible associé à une chambre de combus- tion; la figure 2 représente le détail A de la figure 1, sous forme d'une vue schématique agrandie d'une partie de l'organe de tourbillonnement de l'ensemble de mélange, avec représentation de l'air introduit, du combustible injecté et de son mélange avec l'air dans l'organe de tourbillon- nement; la figure 3 est une vue schématique axiale d'un organe de combustion comprenant un ensemble de mélange air-combus- tible dans un mode de réalisation de l'invention, et l'extrémité amont d'une chambre de combustion d'une turbine à gaz; la figure 4 est une vue agrandie du détail B de la figure 3; la figure 5 est une vue détaillée agrandie de l'ensemble de mélange de la figure 3, vu du côté droit de la figure 3; et la figure 6 représente une variante du mode de réali- sation des figures 3 à 5, ayant un ensemble de protection du dispositif d'injection de combustible. Comme l'indique la figure 1, l'organe 1 de combustion comporte une chambre 10 de combustion et un ensemble 20 de mélange d'air et de combustible. L'organe 1 de combustion de la figure 1 possède un axe longitudinal central I-I; l'organe de combustion peut être un organe choisi parmi plusieurs de ces organes de combus- tion d'un ensemble à turbine à gaz, par exemple placé avec une disposition annulaire. La figure 1 représente une partie amont de la chambre de combustion, cette chambre étant délimitée par une paroi cylindrique 11 et une paroi 12 dont la dimension diminue depuis l'extrémité amont de la paroi 11, c'est-à- dire depuis l'extrémité gauche de la paroi 11 sur la figure 1. L'extrémité de diamètre relativement petit de la paroi tronconique 12 se raccorde à une paroi cylindrique 30 d'un ensemble classique 20 de mélange d'air et de combustible, placé à l'extrémité amont de la chambre 10 de combustion et qui comporte un dispositif de mélange sous forme d'un organe 22 de tourbillonnement et d'un dispositif à (premier) conduit sous forme d'une chambre 31 de combustion préalable. Le combustible et l'air sont mélangés dans l'ensemble 20 afin qu'ils forment un mélange combustible destiné à brûler dans la chambre 10. La transmission d'air à l'ensemble 20 est indiquée schématiquement par les flèches 21; cette transmission d'air est assurée par exemple à partir d'un compresseur entraîné par la turbine. L'air provenant du compresseur s'ecoule sur la surface externe de la paroi 11, de manière classique dans un passage qui entoure la paroi 11 et refroidit celle-ci lors de son écoulement le long de la paroi. L'air pénètre dans l'ensemble 20 de mélange par les extrémités radialement externes des passages formés dans l'organe 22 de tourbillonnement. L'organe 22 comporte un ensemble circonférentiel d'ailettes ou d'aubes 26 placées entre une paroi 23 qui s'étend radialement vers l'extérieur depuis la paroi 30, et une paroi 24 d'extrémité. Les ailettes 26 délimitent entre elles des passages inclinés afin que l'air pénètre en direction générale tangentielle et s'écoule avec un mouvement de tourbillonnement possédant une composante de déplacement radial vers l'intérieur. Les ailettes 26 peuvent être formées d'éléments séparés fixés en position ou les passages peuvent être fraisés ou percés dans un élément tubulaire à paroi épaisse pour la formation des ailettes. La paroi 24 a plusieurs buses ou orifices 25 d'injection de combustible, habituellement à raison d'une par passage, les orifices 25 d'injection étant disposés vers les extrémités radialement externes des passages. Le combus- tible est injecté afin qu'il forme un diagramme divergent d'écoulement comme indiqué en 28 (voir figure 2). La paroi d'extrémité 24 peut avoir une unité d'allumeur électrique (non représentée) qui dépasse. L'air qui circule dans les passages de l'organe 22 de tourbillonnement, depuis la région qui entoure l'organe 22, se mélange au combustible injecté par les orifices 25 et le mélange d'air et de combustible ainsi formé pénètre dans le dispositif à conduit représenté par la chambre préalable 31. Le mélange d'air et de combustible qui tourbillonne comme indiqué par les flèches 32, dans la chambre 31, passe de celle-ci à la chambre principale de combustion 10 dans laquelle il subit la combustion. La référence 13 de la figure 1 désigne la zone de flamme et la référence 14 repré- sente la limite de la flamme lorsque le moteur fonctionne à pleine charge ou presque. Cette disposition classique a un fonctionnement satis- faisant dans ces conditions à pleine charge mais, lorsque la charge du moteur diminue et l'alimentation en combustible diminue, la dimension de la flamme 13 diminue et la quantité des polluants, tels que CO, augmente et, avec des conditions de "combustion pauvre" maintenues, le risque d'extinction de la flamme augmente de façon nette. Il faut noter que, pen- dant le fonctionnement de l'ensemble de mélange, le mouve- ment de l'air, du combustible et du mélange d'air et de combustible dans les passages de l'organe de tourbillon- nement et dans la chambre de combustion préalable est complexe; notamment, il existe un gradient de vitesse ayant des composantes radiale et axiale à la sortie de l'organe de tourbillonnement, la composante de vitesse radiale étant plus intense dans la région amont la plus proche de la paroi 24 et la composante axiale étant plus intense dans la région aval la plus proche de la paroi 23. En outre, dans les conditions de faible charge, le combustible entrant dans l'organe de tourbillonnement par les buses 25 a tendance à stagner près de la paroi 24 lorsqu'il se déplace radialement vers l'intérieur dans l'ensemble de mélange. Ces caracté- ristiques d'écoulement sont utilisées dans les modes de réalisation décrits dans la suite. Les figures 3 et 4 représentent un ensemble 20a de mélange d'air et de combustible dans un mode de réalisation préféré de l'invention. Dans ce mode de réalisation, un dispositif de séparation du courant sous forme d'un organe secondaire supplémentaire de tourbillonnement 40 est incorporé, cet organe 40 étant placé radialement à l'intérieur de l'organe 22; l'organe de tourbillonnement radialement externe 22 de ce mode de réalisation constitue un organe primaire de tourbillonnement. L'organe secondaire interne 40 de tourbillonnement tel que représenté a une dimension axiale plus petite (lorsqu'il est mesuré parallèlement à l'axe central I-I de l'organe de combustion) que celle de l'organe primaire de tourbillonnement 22 et, de toute manière, ses dimensions sont telles qu'il a un volume effi- cace pour la circulation du fluide plus petit que celui de l'organe 22 de tourbillonnement. L'organe 40 de tourbillon- nement est fixé, à ses extrémités radialement internes, à un tube 42 qui s'étend dans la chambre 31. Le tube 42 forme un second dispositif à conduit allant de l'organe secondaire 40 de tourbillonnement à la chambre 10 de combustion. Le pas- sage annulaire 31a compris entre la surface interne de la paroi 30 et la surface externe du tube 42 constitue un premier dispositif à conduit partant de la sortie de l'organe primaire de tourbillonnement 22 et tourné vers la chambre de combustion 10. L'ensemble à organe de mélange possède un tube 60 destiné au positionnement d'une unité à allumeur électrique qui dépasse axialement de la paroi 24 du côté opposé à celui du tube 42. L'organe secondaire de tourbillonnement 40 peut être réalisé avec un plus petit nombre de passages et d'ailettes que l'organe 22 de tourbillonnement. Comme l'indique la figure 5 qui est un simple exemple, du nombre et de la disposition des ailettes et des passages dans l'organe de tourbillonnement, l'organe radialement externe de tourbil- lonnement 22 possède douze ailettes 26 avec douze passages 27 formés chacun entre deux ailettes adjacentes 26, et l'organe secondaire de tourbillonnement 40 a huit ailettes 46 avec huit passages 47 formés chacun entre deux ailettes adjacentes 46. Cependant, d'autres dispositions sont pos- sibles et, par exemple, les organes de tourbillonnement peuvent avoir un même nombre de passages et les passages peuvent être alignés axialement. Dans un état à faible charge, avec une pression de combustible inférieure à la condition de pleine charge comme décrit précédemment, le combustible entrant dans l'ensemble de mélange par les buses 25 stagne relativement près de la paroi 24. En conséquence, lorsque le courant d'air 21 entre dans l'organe primaire de tourbillonnement et se mélange au combustible, le mélange air-combustible résultant stagne aussi relativement près de la paroi 24 et une proportion (seconde proportion) indiquée par les flèches 44, sous l'influence de la grande composante radiale de vitesse, pénètre dans l'organe secondaire 40 de tourbillonnement alors qu'une première proportion passe dans le passage ou premier dispositif à conduit 31a vers la chambre 10 de combustion. Le mélange qui entre dans l'organe 40 de tour- billonnement passe dans les passages 47 vers le tube 42. Les dimensions relatives de l'organe secondaire 40 de tourbil- lonnement et du tube 42 sont telles qu'il existe un régime dynamique mettant en oeuvre le mélange air-combustible dans ce tube 42, de la même manière qu'il existe à pleine charge dans la chambre de combustion préalable plus grande 31. Les caractéristiques de combustion de ce mélange air-combustible dans le tube 42 sont analogues à celles du mélange air- combustible de la chambre de combustion préalable 31a à pleine charge, si bien qu'une bonne combustion avec produc- tion d'une quantité relativement faible de polluants en résulte. Lors du fonctionnement dans les conditions à faible charge, la première proportion du mélange air-combustible qui ne passe pas dans l'organe interne 40 de tourbil- lonnement entraîne en proportion moins de combustible et passe à l'extérieur du tube 42 par la chambre 31 de combus- tion préalable vers la chambre 10 de combustion dans laquelle le système existant de circulation met cette proportion au contact du mélange quittant le tube 42. Les deux masses se mélangent si bien que le rapport global air- combustible est stoechiométrique, mais la flamme de la zone de combustion 51 ainsi produite est plus petite que dans le cas de l'absence de l'organe secondaire interne 40 de tourbillonnement et du tube 42, si bien que la densité du combustible est plus grande et la stabilité de la flamme est meilleure. Dans la condition de pleine charge, la masse d'air et de combustible circulant dans l'organe externe 22 de tour- billonnement est supérieure d'un facteur élevé à la masse correspondant à faible charge et, comme la capacité massique de l'organe interne de tourbillonnement est limitée, son effet devient de moins en moins important lorsque la charge augmente. La masse d'air et de combustible qui passe le long de l'extérieur du tube 42 par le premier dispositif à conduit 31a augmente de plus en plus et proportionnellement, celle qui passe dans le second dispositif à conduit 42 diminue si bien que, à pleine charge, l'organe interne de tourbillonnement 40 a un effet relativement réduit et le système travaille de plus en plus à la manière d'un simple système à combustion pauvre. Il faut noter que l'ajustement en fonction des changements de la charge du moteur est réalisé automatiquement grâce à la structure décrite si bien qu'aucun système complexe de commande n'est nécessaire pour l'obtention de cet effet. Dans un autre mode de réalisation préféré illustré par la figure 6, une zone protégée est formée dans un premier organe 22 de tourbillonnement grâce à un ou plusieurs organes protecteurs 70 placés au voisinage des entrées des passages du premier organe de tourbillonnement, c'est-à-dire que l'organe protecteur peut avoir une forme annulaire et peut s'étendre à la circonférence externe de l'organe pri- maire de tourbillonnement 22. L'organe ou les organes protecteurs protègent les buses 25 d'injection de combus- tible et le combustible qui en provient contre l'air 21 qui s'écoule dans les passages du premier organe de tourbil- lonnement. Cette caractéristique permet la formation de poches riches en combustible dans le fluide adjacent à la paroi 24, au moins lorsque l'appareil de combustion travaille à faible pression, et ce phénomène facilite la formation d'un mélange relativement riche en combustible circulant dans le second organe de tourbillonnement dans les conditions de faible charge. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses élé- ments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Ensemble de mélange d'air et de combustible du type à écoulement radial vers l'interieur destiné à un appareil de combustion (20a), comprenant un dispositif de mélange (22) dans lequel de l'air et un combustible sont mélangés pour former un mélange de combustible et d'air et un premier dispositif à conduit (31a) tel qu'une première proportion du mélange d'air et de combustible est transmise du dispositif de mélange à une zone de combustion (51), caractérisé par un dispositif de division (40) du courant, destiné à recevoir une seconde proportion du mélange d'air et de combustible du dispositif de mélange, et un second dispositif à conduit (42) destiné à transmettre cette seconde proportion du dispositif de division du courant à la zone de combus- tion (51). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mélange comporte un dispositif à organe primaire (22) de tourbillonnement. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de division du courant comprend un dispositif à organe secondaire (40) de tour- billonnement. 4. Ensemble de mélange d'air et de combustible destine à un appareil de combustion qui comporte un dispositif à organe primaire (22) de tourbillonnement dans lequel de l'air et un combustible sont mélangés pour former un mélange d'air et de combustible et un premier dispositif à conduit (31a) destiné à transmettre une première proportion du mélange du dispositif à organe primaire (22) de tourbil- lonnement à une zone de combustion, caractérisé par un dispositif à organe secondaire de tourbillonnement disposé afin qu'il reçoive une seconde proportion du mélange, et un second dispositif à conduit (42) destiné à transmettre la seconde proportion du dispositif à organe secondaire de tourbillonnement à la zone de combustion. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le dispositif à organe primaire (22) de tourbillonnement comprend plusieurs ailettes (26) délimitant entre elles des passages destinés à produire un courant du mélange, ce courant ayant une composante dirigée radialement. 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif a organe secon- daire (40) de tourbillonnement est placé radialement vers l'intérieur du dispositif à organe primaire (22) de tourbil- lonnement et comporte plusieurs ailettes (46) délimitant des passages intermédiaires destinés à produire un ecoulement de la seconde proportion, l'écoulement ayant une composante dirigée radialement. 7. Ensemble selon la revendication 5 considérée seule ou en combinaison avec la revendication 6, caractérisé en ce que chaque passage du dispositif à organe primaire (22) de tourbillonnement possède au moins un orifice (25) d'injec- tion de combustible qui lui est associé pour la transmission du combustible au passage. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif protecteur (70) destiné à protéger l'orifice ou les orifices (25) d'injection de combustible du courant d'air entrant dans les passages du dispositif à organe primaire (22) de tourbillonnement. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première proportion augmente lorsque la vitesse d'entrée du combustible dans le dispo- sitif de mélange augmente. 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la première proportion augmente lorsque la vitesse à laquelle le combustible pénètre dans le premier dispositif (22) à organe de tourbillonnement augmente. 11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que le second dispositif à conduit (42) comporte un tube dont l'extrémité amont est solidaire du dispositif à organe secondaire (40) de tourbillonnement ou est fixée à celui-ci. 12. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, caractérisé en ce que le dispositif à organe secondaire (40) de tourbillonnement a un volume efficace inférieur à celui du dispositif à organe primaire (22) de tourbillonnement. 13. Moteur à turbine à gaz à combustible gazeux, carac- térisé en ce qu'il comprend un ensemble de mélange d'air et de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.