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Procédé et appareil pour allumer et enflammer des mélanges de combustible et d'air formés dans des chambres d'explosion.
La présente invention est relative à la conduite de chambres d'explosion qui sont destinées plus spécialement à des turbines à combustion, et dans lesquelles on brûle des ''combustibles liquides, gazeux ou éventuellement encore pulvé- rulents; les gaz de combustion formés par l'explosion sont utilisés en tirant profit de l'énergie qu'ils renferment.
L'invention maintenant s'est mise pour but le problème d'accélérer sensiblement par rapport aux procédés connus, l'inflammation et la marche de la combustion du mé- lange de combustible et d'air dans des chambres d'explosion, et de permettre de déterminer et de régler avec précision le moment de 1.'inflammation ou de l'allumage, c'est-à-dire de le rendre réglable de façon que l'allumage du mélange in- flammable n'aura sûrement lieu qu'après le chargement défini-
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tif de la chambre d'explosion avec les corps nécessaires à la combustion.
Dans la solution de ce problème, l'invention part de la notion que le mode d'inflammation d'un mélange de combustible et d'air le plus usité jusqu'à ce jour, savoir l'inflammation à l'aide d'une étincelle électrique, présen- te deux défauts fondamentaux qui tous les deux résultent de la petitesse de la surface d'une étincelle d'allumage.
Ainsi que des essais l'ont montré, il n'y a, d'une part, au- cune garantie que même avec une répartition absolument homo- gène de matière combustible dans la charge d'air, le mélange de combustible et d'air s'enflamme dans le temps directement, c'est-à-dire immédiatement après la production de l'étincelle, parce qu'il n'est pas rigoureusement certain qu'une partie inflammable du mélange arrive précisément en contact avec ladite étincelle au moment où elle jaillit. D'autre part, la surface de l'étincelle est excessivement petite par rapport à la charge en présence de la chambre.
Après que l'inflamma- tion aura eu lieu, la combustion du mélange doit donc se propager dans la chambre d'explosion, partant de cette petite surface de l'étincelle, sous forme d'enveloppes sphériques allant en augmentant continuellement autour du point d'in- flammation comme centre, tout comme les ondes sonores se pro- pagent dans l'air partant d'une source de son, sous forme de surfaces sphériques invariablement concentriques. La surface d'allumage qui se forme dans le mélange de combustible et d'air augmente donc avec combustion progressive. Il en res- sort qu'un processus de combustion, déterminé par un point d'allumage, demande beaucoup de temps à cause'de la surface dudit point très petite au début.
Si avec cela le mélange explosif renferme des combustibles qui s'enflamment diffici- lement et qui notamment doivent être décomposés d'abord avant
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l'inflammation, le processus de combustion dure même encore un temps plus long, puisque le progrès ou augmentation de la surface d'allumage partant de l'étincelle s'opère de façon relativement lente. Il s'écoule donc toujours un certain temps avant qu'une surface d'allumage active, suffisamment grande, arrive à se former dans le mélange. Lorsqu'il s'agit d'un combustible liquide, la quantité de chaleur nécessaire pour la vaporisation et la gazéification doit d'ailleurs être transmise par rayonnement, de l'intérieur de la partie de la charge de la chambre déjà en feu, à la partie de la charge non brûlée, au début de la combustion de beaucoup la plus for-, te.
De ce fait, une quantité de chaleur tellement forte est soustraite à la partie en feu de la charge, que la températu- re de celle-ci baisse considérablement. Cette diminution de température conduit de nouveau à une combustion lente et in- complète. Pour évaluer l'importance de la soustraction de chaleur, on a examiné par le calcul le cas d'un mélange com- posé de benzol liquide et d'air, en prenant pour base une proportion de mélange de 1 : 32,5, et l'on a trouvé que rien que par la vaporisation du benzol liquide, son entourage est refroidi de plus de 20 degrés centigrades. Avec quelques com- bustibles usuels, il se produit un refroidissement addition. nel par la décomposition chimique des particules de combusti- ble qui a lieu avant la combustion du mélange.
Si avec cela on choisit encore pour l'inflammation du mélange de combusti- ble et d'air, l'allumage par étincelle électrique le plus fréquemment employé, où la surface d'allumage, comme il a été mentionné déjà ci-dessus, prend la forme d'une sphère qui s'agrandit continuellement avec le progrès de la combustion, et par laquelle le.combustible qui l'entoure de tous côtés doit alors être vaporisé et décomposé, le refroidissement qui en résulte augmente même au multiple,
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Pour enflammer des mélanges de combustibles pul- vérulents et pour activer la combustion, on a déjà proposé de déterminer l'inflammation artificiellement en présence de catalyseurs, d'éléments indandescents ou de restes de cendres incandescentes.
Comme ces agents d'allumage, contrairement aux étincelles, offrent dès le début déjà au mélange à met- tre en feu, une surface d'allumage relativement grande, on arrive toujours par ces moyens à allumer et enflammer même les mélanges de combustibles pulvérulents et d'air ou d'oxy- gène, qui, on le sait, s'allument difficilement. Mais un tel procédé d'allumage présente différents inconvénients. D'une part, la durée de ces moyens d'allumage artificiels disposés dans la chambre de combustion est excessivement limitée, et d'ailleurs leur installation dans ladite chambre n'est pas d'une réalisation simple. D'autre part, on ne pourra pour des raisons de construction donner à ces agents d'allumage que des dimensions limitées, de façon que leur surface d'al- lumage se trouve limitée proportionnellement.
Si l'on emploie comme moyens d'allumage, des éléments incandescents, on ren- contre de grandes difficultés de maintenir leur température à la bonne hauteur pour assurer infailliblement l'allumage du mélange dans toutes conditions et circonstances de service.
Lorsque la température baisse par exemple avec des processus de marche relativement froide, au-dessous d'une valeur déter- minée, l'allumage du mélange subit du retard ou rate même complètement. Inversement, avec un processus devenant plus chaud, les moyens d'allumage peuvent s'échauffer trop, de sorte à être finalement détruits ou à occasionner des troubles de fonctionnement continuels.
Pour toutes ces raisons, ces moyens d'allumage artificiels ne sont guère propres à l'in- flammation de mélanges qui contiennent par exemple des com- bustibles liquides ou gazeux,
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En connaissance de ces défauts des procédés de conduite connus, et pour les éviter et améliorer le procédé de combustion, on propose selon la présente invention un nou- veau procédé d'allumage du mélange de combustibles liquides, gazeux ou pulvérulents, dans des chambres d'explosion de pré- férence oblongues ; ce procédé consiste essentiellement à ren- fermer entre l'organe d'échappement de la chambre d'explosion et le mélange de combustible et d'air frais, introduit dans cette chambre, des gaz d'une température telle que le mélange s'allume à la surface de ces gaz qui se présente à lui.
Ces gaz qui servent à l'allumage du mélange de combustible et d'air, peuvent consister par exemple en des gaz de combus- tion résiduaires qui proviennent du processus de combustion immédiatement précédent, qui ont été retenus dans la chambre d'explosion et qui éventuellement ont été mélangés avec de l'air; ils peuvent pourtant aussi par exemple consister en de l'air fortement chauffé par rayonnement et transmission de chaleur.
Ce mode de conduite présente avant tout l'avanta- ge fondamental que les gaz d'allumage emprisonnés présentent dès le début au mélange de combustible et d'air frais, intro- duit dans la chambre d'explosion, contrairement à ce qui est le cas avec tous les procédés d'allumage connus à ce jour, une surface d'allumage excessivement grande qui, dans des chambres d'explosion étendues en longueur, est pratiquement perpendiculaire ou approximativement perpendiculaire à l'axe longitudinal de ces chambres, cette surface pouvant d'ail- leurs être courbe en soi.
La mise en pratique du nouveau procédé peut être favorisée sensiblement par l'existence de hautes températu- res des parties de la chambre d'explosion situées dans le voisinage des gaz d'allumage, ainsi qu'avantageusement de la
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paroi de cette chambre elle-même, chauffée de manière appro- priée quelconque. Une température élevée de ces parties est en effet de valeur non seulement pour déterminer un fort rayonnement de chaleur dans le volume de gaz d'allumage em- prisonné et pour assurer la température d'allumage de ce gaz; ces parties présentent aussi un accumulateur de chaleur qui est à même de fournir la chaleur qui,avec certains combusti- bles, est exigée pour vaporiser et décomposer leurs éléments avant l'allumage.
On empêche ainsi que lors de la combustion même, la totalité de la chaleur de vaporisation et de décom- position en question ne soit soustraite au mélange ou à sa partie déjà allumée; autrement dit, on évite que l'entourage des particules de combustible ne soit refroidi excessivement.
Le nouveau procédé est exécuté le mieux dans une chambre d'explosion, cylindrique au possible et dans tous les cas étendue en longueur, comme l'on en utilise communément dans les turbines à combustion à volume constant; on ménage les organes d'admission pour les agents moteurs (air et com- bustible) à l'une des extrémité de la chambre d'explosion, tandis.que l'organe ou les organes d'échappement sont dispo- sés à l'autre extrémité de la chambre. Par cette disposition des organes de distribution , on obtient que l'extrémité d'admission de la chambre, où entrent les éléments du mélan- ge relativement froids, reste froide, tandis que l'extrémité d'échappement, par laquelle s'écoulent les gaz chauds après la combustion du mélange, est chauffée fortement.
Les extré- mités de la chambre de combustion reçoivent avantageusement, de manière connue, une forme conique, de sorte que l'on ob- tient que les gaz de la combustion, l'explosion terminée, sont expulsés de la chambre par l'air qui y entre de nouveau en agissant à la façon d'un piston. La forme conique de l'extré- mité d'échappement de la chambre d'explosion a pour'effet
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d'imprimer aux gaz de combustion, la sortie étant ouverte, une vitesse d'écoulement dont le résultat, l'expérience nous l'apprend, est une augmentation de transmission de chaleur à cette'extrémité d'échappement de la chambre.
Les gaz qui servent à l'allumage du mélange de combustible et d'air, logés entre la sortie de la chambre d'explosion et le mélan- ge explosif introduit dans cette chambre, sont avantageuse- ment prévus en une quantité telle qu'ils remplissent complè- tement autant que possible l'extrémité postérieure conique de la chambre, et dans ces conditions la surface limite (surface d'allumage) entre ces gaz d'allumage et le mélange de combustible etd'air, estau moment où se produit l'allu- mage située dans le voisinage de l'endroit de raccordement du cône arrière avec la partie médiane de la chambre étendue , en longueur.
On obtient ainsi que l'inflammation du mélange progresse d'ici, à tous les points de la surface d'allumage, linéairement vers l'extrémité d'admission de la chambre; un passage de chaleur du noyau brûlant du contenu de la chambre sur le mélange à brûler n'a lieu qu'à la surface du noyau brûlant tournée vers ce mélange à brûler et limitée par la périphérie de la partie médiane de la chambre étendue en longueur, surface qui est très petite en proportion dudit noyau, ce qui contraste beaucoup avec l'allumage par étincel- le connu, où la surface d'allumage sphérique qui augmente continuellement avec le progrès de la combustion, est beau- coup plus grande que la masse d'allumage.
Pour le chauffage des gaz d'allumage logés à l'extrémité de sortie de la chambre, on utilise avantageuse- ment un certain reste de gaz de combustion qui, lors de l'ex- pulsion des gaz'de'la combustion, pendant le balayage de la chambre d'explosion, l'organe d'échappement étant ouvert, est retenu à l'extrémité de sortie de la chambre par fermeture
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anticipée dudit organe. Le procédé ..selon l'invention se pré- sente d'une façon particulièrement avantageuse lorsque la chambre d'explosion est établie à très'grande longueur, et que l'on dispose d'un temps relativement long pour l'expul- sion des gaz de combustion de la chambre, sauf la portion restante nécessaire pour l'inflammation de la charge qui suit.
Dans ces conditions, il y aura déjà pendant la phase de bala- yage une forte transmission da chaleur rayonnante des gaz de combustion à l'air de balayage et de remplissage voisin qui entre par l'admission de la chambre, en poussant.
Le nouveau procédé garantit une combustion en tous points sûre et complète de tout mélange quelconque de combustible et d'air dans des chambres d'explosion de préfé- rence étendues en longueur, puisque dès le début de l'alluma-! ge, le mélange dans la chambre arrive en contact avec une surface d'allumage excessivement grande de température suffi- sante et pouvant être augmentée à'volonté par rayonnement de chaleur additionnel. Grâce à la grande surface d'allumage disponible, l'allumage du mélange a lieu avec une grande rapidité, et il en résulte une combustion vive de toute la masse du contenu de la chambre.
Par le nouveau procédé, on arrive aussi à brûler des combustibles que dans les moteurs Diesel par exemple on ne peut brûler qu'avec grandes diffi- cultés et de façon très incomplète; la combustion est si complète que même par des agents chimiques, il n'est pas possible de constater, après la combustion, la présence d'éléments non consumés du mélange. Particulièrement on pour- ra maintenant brûler complètement sans odeur,.encore des combustibles qui ne brûlent qu'incomplètement avec les pro- cédés connus, et qui par conséquent répandent, on le sait, une odeur désagréable.
Dans l'application du nouveau procédé à des cham-
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bres d'explosion pour des groupes moteurs, comme par exemple de turbines à combustion, où par suite de variations impor- tantes et fréquentes de la charge et du nombre de tours les conditions de remplissage de la chambre d'explosion peuvent varier brusquement et par saccades, il sera pratique de dis- poser des allumeurs additionnels dans la chambre, comme par exemple des éléments incandescents en permanence ou mieux, des étincelles électriques commandées,ce qui permet d'évi- ter avec certitude des ratés d'allumage.
Ces allumeurs addi- tionnels seront utilisés aussi avantageusement pour la mise en action de la chambre d'explosion, notamment lorsqu'elle se trouvait dans un état froid. Si l'on utilise comme allumeurs auxiliaires, des étincelles électriques commandées, leur commande se fait convenablement de façon qu'elles allument après l'allumage qui, dans l'état permanent de la chambre, est déterminé par les gaz d'allumage qui s'y trouvent retenus.
Les allumeurs auxiliaires réglés de cette façon ne peuvent pas troubler les inflammations qui, à la permanence de l'ins- ' lallation à explosions, sont déterminées par des gaz d'allu- mage retenus dans la chambre, mais ils garantissent l'in- flammation du mélange pour le cas où l'inflammation normale à l'aide des gaz d'allumage viendrait à manquer pour une rai- son quelconque.
Avec des combustibles qui ne s'enflamment que difficilement, l'installation des allumeurs additionnels ne suffira pourtant pas pour assurer une mise en marche à l'abri de dérangements. Dans ce cas, l'état du mélange au moment de l'allumage doit déjà pendant la phase de mise en marche être rapproché autant que possible de l'état qui existe à l'état permanent, Cela peut se faire avec utilisation de procédés et d'appareils selon l'invention, avantageusement en réchauffant artificiellement l'extrémité de sortie de la chambre et en
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augmentant de cette façon par absorption de chaleur rayonnan- te la température de l'air qui s'y trouve renfermé, ou encore en chauffant en général l'air de balayage ou de remplissage avant son entrée dans la chambre d'explosion.
Le nouveau procédé peut être d'ailleurs perfeo- tionné de façon qu'il deviennerpossible de régler l'espace de temps que le mélange inflammable demande pour avancer de l'extrémité d'admission de la chambre d'explosion à son extré- mité de sortie, c'est-à-dire à la surface d'allumage; ce ré- glage pourra se faire de façon que l'on puisse déterminer exactement le moment où l'inflammation du mélange a lieu. On peut ainsi avant tout éviter que cette inflammation ne se produise avant que le remplissage' de la chambre de mélange inflammable en quantité et de composition exactes soit ter- miné.
Si en effetl'inflammation du mélange se produit avant que les organes d'admission de l'agent moteur dans la cham- bre soient fermés, la pression engendrée par l'explosion fait retour dans les conduites dudit agent moteur qui mènent à la chambre d'explosion, et qui sont situées devant les organes d'admission, et l'agent moteur en présence dans les conduites en question est refoulé.
Le résultat en est que lors de la phase de remplissage suivante, il entre d'abord dans la cham- bre, des éléments incombustibles provenant des gaz de combus- tion, ou encore de l'air comburant chargé de gaz de combus- tion ; le mélange formé est donc incomplet, et dans ces condi- tions un fonctionnement irréprochable de la chambre d'explo- sion n'est pas possible, De plus, par un retour fréquent de gaz de combustion, les soupapes d'admission et l'extrémité d'entrée de la chambre s'échauffent si fortement que le nou- veau mélange de combustible et d'air qui se forme-au début du remplissage, s'enflamme déjà au contact avec ces organes, déterminant ainsi un début encore plus précoce des oombus-
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tions et dérangeant complètement le procédé dans son ensemble.
D'après l'invention, ces difficultés seront main- tenant écartées par les moyens dont la description va suivre.
Une première possibilité réside dans le réglage variable, donc réglage de la vitesse d'écoulement du support du combustible (l'air). A cet effet on décale convenablement dans le temps le début de l'introduction du combustible dans la chambre d'explosion par rapport à l'introduction d'air.
Ici on a mis à profit la notion qu'immédiatement au début de l'introduc- tion d'air dans la chambre, donc peu de temps après l'ouver- ture de l'organe d'admission d'air, le maximum de vitesse d'air règne dans la chambre, parce qu'au moment de cette ou- verture de l'organe d'admission d'air, la différence entre la pression de l'air de remplissage qui entre, et la contre- pression dans la chambre, est la plus forte; avec le progrès du remplissage de la chambre, la contrepression augmente peu à peu, en même temps que la vitesse d'écoulement de l'air introduit diminue proportionnellement.
La conclusion à tirer de là est qu'avec coïncidence du début de l'introduction de combustible et d'air, le combustible trouve dans la chambre la plus grande vitesse d'air, avec la quelle les particules de combustible arrivées les premières dans la chambre sont trans- portées à une vitesse extrêmement grande vers la sortie de la chambre, c'est-à-dire vers l'endroit où l'inflammation a lieu.
Si maintenant le combustible est introduit dans la chambre, dans le temps, après le commencement d'ouverture de l'organe d'admission d'air, il ressort des réflexions qui précèdent que le combustible trouve dans la chambre une vitesse d'air plus faible que sa vitesse de début maximum, plus le début d'admission de combustible se trouve retardé par rapport à l'admission d'air, plus seront faibles les vitesses d'air en présence desquelles se trouveront les particules de combusti-
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ble entrant les premières dans' la chambre, et plus sera long le temps qui s'écoule jusqu'à ce que les particules de com- bustible auront parcouru la distance qui sépare l'orifice de l'organe d'admission de combustible de l'endroit d'inflam- mation dans la chambre,
c'est-à-dire pue plus il y aura du temps disponible jusqu'au moment de l'allumage, pour termi- ner l'introduction d'air et de combustible dans la. chambre, et avec cela pour fermer les organes d'admission correspon- dants à temps avant l'inflammation.
Mais avec l'accroissement de l'espace de temps qui s'écoule entre le début de l'injection etle moment d'allumage, par le moyen de retardement du début de l'injec- tion, il se peut que ce début n'ait lieu que lorsque le rem- plissage de la chambre d'explosion avec de l'air est déjà trop avancé, de façon que par suite de la contrepression qui augmente avec le progrès du remplissage de la chambre, la vitesse d'écoulement de l'air ait déjà baissé dans des pro- portions telles qu'une bonne pulvérisation du combustible ne soit plus possible.
Dans ce cas on pourra selon l'invention choisir aussi une autre matière simple pour fixer l'espace de temps qui s'écoule du début de l'injection du combustible au moment d'allumage du mélange - espace de temps qui ci- après est dénommé "retard d'allumage" cela par le fait que le nombre de périodes de travail de la chambre d'explosion dans l'unité de temps est modifié, c'est-à-dire augmenté ou diminué, et en même temps le combustible est injecté autant que possible au moment de la vitesse d'air la plus favorable, avantageusement lors de l'ouverture de la soupape de remplis- sage. Avec cela les temps des différentes phases de distribu- tion d'une période de travail complète, comme par exemple le balayage, le remplissage et l'échappement des gaz de combus- tion de la chambre, sont allongés ou raccourcis.
La durée ab-
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solue du retard d'allumage peut être maintenue constante avec tous les nombres de périodes, si l'on choisit les conditions de distribution de façon que le début d'admission de combus- tible ne varie pas par rapport au début de l'introduction d'air. Dans ce cas, les premières particules de combustible qui entrent dans la chambre rencontrent au moment de l'injec- tion, à tous nombres de périodes, toujours la même vitesse d'écoulement favorable de l'air, de sorte que le temps néces- saire pour porter le mélange à l'endroit d'inflammation est toujours le même.
Dans les installations d'explosion où le retard d'allumage correspond tout au moins approximativement aux bonnes conditions de marche, il est finalement aussi possi- ble d'employer l'une ou l'autre des méthodes qui viennent d'être indiquées pour régler minutieusement (réglage de pré- cision) le retard d'allumage.
Dans les dessins annexés, on a montré, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un dispositif approprié à la mise en pratique du nouveau procédé de conduite; on y a représenté aussi, sous forme de diagrammes, les différences entre les procédés selon la présente invention et les procé- dés en usage jusqu'à ce jour.
Fig.l montre partie en coupe longitudinale, par- tie en élévation, une installation d'explosion pour la mise en pratique du procédé selon l'invention.
Fig.2 représente la courbe de pression en fonc- tion du temps du procédé de conduite des installations d'ex- plosion en usage jusqu'ici.
Fig.3 représente à plus grande échelle le dia- gramme de pression-en fonction du temps d'une seule période de travail; la seo'tion. de distribution de la courbe de pres- sion en fonction du temps qui caractérise le principe de
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l'invention est représentée'd'une façon particulièrement clai- re.
Fig.4 est un diagramme qui fait connaître les conditions de pression en fonction du temps dans la chambre d'explosion, qui entrent en ligne de compte en cas de décala- ge du début de l'injection par papport à l'ouverture de la soupape à air de remplissage.
Fig.5 représente les courbes de levée de soupapes correspondantes au diagramme figure 4.
Le mode de travail selon lequel se faisait jus- qu'ici la conduite des installations d'explosion est caracté- risé par le diagramme représenté à la figure 2. Dans ce dia- gramme, les ordonnées correspondent à la marche de la pression dans la chambre d'explosion pendant une période de travail complète, tandis qu'on a rapporté en degrés, sur l'abscisse, les vitesses de rotation d'un arbre de distribution qui com- mande les soupapes de la chambre d'explosion, ou bien d'un tiroir tournant qui contrôle un agent sous pression, en cas de commande hydraulique des soupapes, de façon qu'un tour com- plet de l'arbre de distribution ou du tiroir tournant, pen- dant lequel s'accomplit une périodende travail complète, cor- respond à 360 . On a en outre indiqué dans la figure 2, compa- rativement, l'échelle de temps en secondes pendant une pério- de de travail complète.
Une telle période de travail se dérou- le entre deux axes d'ordonnées voisins Z-Z, où l'arbre de distribution ou le tiroir tournant exécute donc un tour com- plet de 360 . A la position 0 , la soupape d'ajutage (dont la description va être donnée ultérieurement avec la figure 1 à l'appui), dans la supposition d'une commande hydraulique de toutes les soupapes, a été ouverte, grâce à la disposition d'après laquelle une conduite allant au piston de commande de ladite soupape d'ajutage a été mise sous pression par le dis-
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tributeur qui contrôle l'agent sous pression, préférablement de l'huile. Les gaz engendrés par l'explosion dans la chambre d'explosion s'échappent par la soupape d'ajutage ouverte, vers le rotor de la turbine.
Après que la pression des gaz dans la chambre d'explosion aura baissé approximativement au niveau de la pression d'échappement, une soupape contrôlant l'entrée d'air de balayage s'ouvre au point a, le piston de commande de cette soupape se trouvant soumis à l'action de l'huile sous pression admise par la conduite de distribution, par suite de réglage correspondant du distributeur d'huile sous pression. De l'air frais, préalablement comprimé par un com- presseur, entre par la soupape d'air de balayage dans la cham- bre de combustion, de façon que le reste de gaz de combustion, provenant de l'explosion précédente, qui se trouve encore dans la chambre, en est expulsé à travers la soupape d'ajuta- ge encore ouverte.
Lorsque la chambre aura été balayée suffi- samment, la soupape d'air de balayage se ferme, le distribu- teur d'huile ayant soulagé sa conduite de distribution de la pression d'huile. Puis la soupape d'ajutage se ferme au point b, le distributeur d'huile ayant également déchargé sa condui-' te de distribution de la pression d'huile. Après que la soupa- pe d'ajutage se sera fermée au point b, une soupape spéciale s'ouvre pour admission d'air de remplissage plus fortement comprimé, et en outre l'organe d'admission de combustible s'ouvre, de manière qu'un mélange inflammable se forme dans la chambre d'explosion.
Dans le diagramme figure 2, l'espace c entre les points b et d correspond à ce remplissage de la chambre d'air et de combustible, tandis que l'espace! corres- pond au temps pendant lequel le reste de gaz de combustion est chassé. Le mélange, est allumé au point d; l'explosion est terminée au point e où est situé l'axe d'ordonnées suivant, Maintenant recommence la détente des'gaz de combustion forte-
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ment comprimés, la soupape d'ajutage ayant été ouverte dans l'intervalle, et les différentes phases de la période de tra- vail se répètent dans l'ordre ci-dessus décrit.
Tandis que l'allumage du mélange inflammable au point d du diagramme figure 2 devrait se faire jusqu'ici en partant d'endroits d'allumage agissant à la façon de points, notamment à l'aide de bougies avec tous les défauts s'atta- chant à ce système et signalés en détail au préambule, la présente invention a en vue une inflammation du mélange au contact des grandes surfaces offertes par une masse de gaz fortement chauffée, enfermée dans la chambre d'explosion.
L'installation représentée par la figure 1 sert pour la mise en pratique de ce procédé. Cette installation comprend en première ligne une chambre d'explosion 1 étendue en longueur.
Les gaz de combustion produits dans cette chambre injectent le rotor à deux couronnes 2 de la turbine à combustion par explosion T, établi sous forme de roue Curtis. Comme d'usage, la chambre d'explosion 1 présente à l'une de ces extrémités coniques une soupape à air de balayage 3, placée à axe commun avec ladite chambre ; l'air est amené à cette soupape avec une certaine pression, par la conduite 4. De plus on a dispo- sé dans la partie conique de cette extrémité de chambre, la soupape à air de remplissage 5 et l'organe d'admission de combustible 6. L'air de remplissage est amené sous pression à la soupape 5, à travers la conduite 7, et le combustible est envoyé à l'organe d'admission 6 par la conduite 8.
Les gaz de combustion formés dans la chambre d'explosion 1 par allumage du mélange inflammable, s'écoulent par l'organe d'échappement (la soupape d'ajutage 9) disposé à l'autre ex- trémité également conique de la chambre d'explosion, vers le rotor 2 de la turbine T. Dans la partie cylindrique étendue en longueur de la chambre d'explosion, on a ménagé un dispo..
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sitif d'allumage 10, convenablement à commande électrique, qui avec le nouveau procédé, ne sert principalement que pour la mise en action de la chambre. La chambre d'explosion 1 est dans toute sa longueur entourée de deux espaces de refroidis- sement 11 et 12, séparés l'un de l'autre.
Le plus petit espa- ce de refroidissement 12 sert au refroidissement de l'extré- mité de sortie conique de la chambre 1 où se trouve la soupa- pe d'ajutage 9, tandis que l'espace de refroidissement 11 en- veloppe la partie de la chambre de beaucoup la plus grande, y compris l'extrémité d'admission de la chambre.
L'espace de refroidissement 12 reçoit pendant l'état permanent de l'ins- tallation un agent de refroidissement qu'une pompe roulante 13 lui envoie par la conduite 14 ; cet agent réfrigérant s'é- coule de nouveau de l'espace 12 par la conduite 15, laquelle donne dans un échangeur de chaleur 16, d'où la pompe 13 aspi- re de nouveau, pendant la permanence de l'installation, l'a- gent de refroidissement après qu'il aura cédé une certaine partie de la quantité de chaleur absorbée dans l'espace de refroidissement 12, espace dans lequel il est de nouveau transporté par la pompe. L'es pace de refroidissement 11 re- coït un agent de refroidissement par la conduite 17, et cet agent, chauffé dans ledit espace, en est évacué de nouveau par la conduite 18.
Les organes d'admission et d'échappement de la chambre d'explosion 1 sont à commande hydraulique, comme à l'ordinaire. A cet effet, les deux soupapes d'admis- sion d'air 3 et 5, aussi bien que la soupape d'ajutage 9, sont équipées chacune d'un piston chargé d'un côté par un ressort, l'autre côté du piston étant par le cylindre qui lui sert de guide soumis à l'action d'un agent sous pression, plus spécialement .de .l'huile qui est envoyée à travers les conduites 20, 21 et 22 par un distributeur d'huile sous pression de construction en soi connue.
Ce distributeur est
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équipé d'un tiroir tournante commandé par un moteur, de sor- te que les conduites 20, 21 et 22, sont contr8lées en des temps de travail déterminés, c'est-à-dire de façon que chaque conduite est périodiquement remplie d'huile sous pression, et se trouve ensuite de nouveau soulagée de l'huile sous pres- sion, donc dépourvue de pression.
En faisant abstraction des dispositifs spéciaux 12, 14,15 et 16, ainsi que de la façon particulière dont les organes de distribution de la chambre d'explosion sont action- nés, l'installation représentée dans la figure 1 est absolu- ment conforme aux installations d'explosion usuelles déjà connues, travaillant par le procédé selon le diagramme figu- re 2.
Contrastant avec ces procédés connus, l'installa- tion selon la figure 1 travaille de la façon suivante :
L'inflammation de la charge de la chambre, pour autant que l'on considère l'état permanent de ladite chambre, ne se produit plus aux points d'allumage commandés 10, cette commande étant de préférence électrique, mais se produit à une surface F, qui est tracée à tirets et points dans la figu- re 1, et qui se dresse entre la charge à enflammer et un vo- lume de gaz et d'air logé dans l'extrémité conique de sortie de la chambre. Cette surfaced'inflammation se forme pendant la phase de balayage qui se déroule dans l'espace! entre les points a et b selon le diagramme figure 2.
Pendant le balayage où l'air de balayage chasse les gaz de combustion restants de l'une à l'autre extrémité de la chambre d'explosion, il s'opè- re déjà un fort passage de chaleur des gaz chauds chassés à l'air qui pousse par derrière à la façon d'un piston; Pour qu'il ne s'échappe aucun air de balayage de la soupape dtaju- tage 9, celle-ci est commandée par le distributeur d'huile de façon à se fermer à temps, convenablement à un moment où il
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existe encore dans la chambre un certain reste de gaz de com- bustion, de manière que ce reste de gaz arrive à être retenu dans la chambre 1 entre l'air qui pousse par derrière et la soupape 9 fermée.
Par ce reste de gaz enfermé, la température de la couche limitrophe de l'air poussant par derrière, lequel a déjà absorbé de la chaleur, sera élevée sensiblement. Dans la réalisation du principe de l'invention, la température pourra maintenant être augmentée encore considérablement en amenant à l'espace de refroidissement 12 qui entoure l'extré- mité de sortie conique de la chambre, un agent de refroidisse- ment de très haute température (par exemple de l'huile chaude, de l'eau très chaude, de la vapeur, de la vapeur surchauffée, etc..). Cet agent est mis en circulation par la pompe 13, et il est seulement nécessaire de le refroidir en partie dans l'échangeur de chaleur 16 pour qu'il puisse rentrer dans l'es- pace 12 à une certaine température élevée.
Il a été constaté par des essais que le chauffage de l'extrémité de sortie de la chambre se trouve favorisé particulièrement si on lui don- ne une forme conique, puisque par suite du rétrécissement pro- gressifde la section, on arrive à imprimer de grandes vîtes- . ses d'écoulement aux gaz qui s'échappent de la chambre 1 pen- dant la détente. Soutenu par ces grandes vitesses d'écoule- ment, il y aura dans l'extrémité conique de la chambre une transmission de chaleur particulièrement forte à la paroi de la chambre, de sorte qu'une grande quantité de chaleur y sera emmagasinée.
Pendant le remplissage de la chambre 1, une for- te partie de cette chaleur emmagasinée est, par rayonnement , envoyée dans la partie postérieure de la chambre, et avec cela dans le volume de,gaz et d'air en soi déjà chaud qui s'y trou- ve logé, ainsi qu'il est indiqué par les flèches tracées dans la figure 1. Ce rayonnement de chaleur se propage sur la sur- face F qui est dirigée vers le mélange contenu dans la cham-
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bre, et qui probablement prend une forme concave. Par le rayonnement de chaleur sur cette surface F, sa température monte à des degrés où le mélange dans la chambre s'enflamme sûrement.
Ce même but de la formation d'une grande surface d'inflammation F pourra d'après l'invention être atteint aussi en expulsant le reste de gaz de combustion complètement de la chambre. Dans ce cas, la chaleur emmagasinée dans l'ex- trémité de sortie de la chambre peut être envoyée par rayon- nement dans l'air de balayage qui s'accumule à cet endroit, identiquement de la façon ci-dessus décrite pour le reste de gaz. Sans doute, un volume de restes de gaz est à préférer comme masse d'inflammation, puisque ces restes de gaz possè- dent déjà une température élevée, de sorte que la formation de la surface d'inflammation F demande moins de temps et moins de chaleur rayonnée que si l'extrémité de sortie de la chambre renferme de l'air pur, dont la température initiale est moins élevée que celle des restes de gaz.
Pour montrer clairement l'effet et la supériorité de la grande surface d'inflammation créée selon l'invention, par rapport à l'allumage actuel au moyen d'étincelles élec- triques, on a tracé autour de la bougie de l'appareil d'allu- mage 10 en saillie à l'intérieur de la chambre, dont le but sera décrit ultérieurement, des cercles de grandeurs diffé- rentes. Ces cercles indiquent la façon dont l'inflammation de la charge de la chambre, partant de l'étincelle d'alluma- ge électrique, à l'origine extrêmement petite, de la bougie, se propage à peu près sur une surface sphérique qui s'accroît successivement.
En observant ces cercles de grandeurs diffé- rentes, on voit clairement qu'au moment de l'inflammation primitive, ce n'est qu'une surface d'allumage relativement très petite qui se présente à la charge de la chambre. Si
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avec cela on considère encore qu'avant que la charge stenflam- me, il doit y avoir de disponible une certaine quantité de chaleur pour la vaporisation et éventuellement pour la disso- ciation des éléments du combustible, chaleur qui en grande partie est soustraite à la masse d'allumage, on reconnaîtra que la combustion ne pourra se passer que très lentement et imparfaitement.
Dans tous les cas, la surface d'allumage d'une bougie qui, à l'origine, se présente sous forme d'un point, ne pourra se développer que très lentement en grande surface d'allumage efficace, par suite de la soustraction de chaleur susmentionnée. Une telle surface d'allumage est d'ailleurs - tout au moins dans la première phase de la combustion - exces- sivement petite par rapport à la charge non encore brûlée qui l'entoure.
Au contraire, avec le nouveau procédé d'allumage, le mélange de combustible et d'air rencontre déjà au moment de l'allumage primitif une très grande surface d'inflammation F, qui en étendue ne change guère depuis le commencement jus- qu'à la fin du processus de combustion. La surface d'allumage F n'est avec cela que très petite par rapport au noyau de la masse d'allumage, formé par la quantité de gaz etd'air logée à l'extrémité de sortie de la chambre. Malgré la gran- deur de la surface d'allumage F, la quantité de chaleur qu'elle aura à transmettre par rayonnement au mélange à brû- ler, et qui est nécessaire pour la vapprisation, la gazéifi- cation et la dissociation du combustible, n'est que relati- vement petite, c'est-à-dire petite par rapport à la quantité de chaleur contenue dans le noyau qui allume.
La chaleur soustraite à ce noyau d'allumage pour la gazéification etc.., est toujours remplacée immédiatement par la chaleur emmaga- sinée dans la paroi de la sortie conique de la chambre, chauf- fée à haute température, de façon que la surface d'allumage F
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garde pour ainsi dire inchangée sa température d'inflammation primitive pendant tout le processus de combustion. De cette façon la combustion du mélange contenu dans la chambre d'ex- plosion se produira très rapidement et complètement.
Dans la figure 3 qui ne fait que représenter, à une échelle plus grande que celle de la figure 2, les phases d'une période de travail complète de la chambre d'explosion qui jouent un rôle au point de vue de l'invention, on voit de quelle manière importante le nouveau procédé d'allumage se traduit dans un diagramme, qui a été pris à une chambre d'explosion établie conformément à l'invention, pendant le travail de cette chambre, Le trait plein donne la courbe des pressions en fonction du temps du diagramme d'explosion nor- mal selon la figure 2, où l'allumage du mélange combustible dans la chambre d'explosion se fait donc à l'aide d'une étin- celle (allumage "punctiforme").
Sur cette courbe des pressions en fonction du temps, tracée à traits pleins, les lettres a, b, c, d, e, f, marquent comme dans la figure 2 les diffé- rentes phases du processus. d est donc de nouveau le moment d'allumage. Par le tracé de la ligne montante d'explosion g qui commence en d et qui se termine au point e, on pourra en observant simultanément l'échelle de 1!,abscisse qui marque le temps, voir que la combustion a lieu d'une façon relative- ment lente : elle devient particulièrement lente à partir du point h où une pression dans la chambre de 25 atm. abs. envi- ron est atteinte.
Le cours de la ligne ± du point h jusqu'à e permet de conclure que la combustion du mélange n'est pas en- core complètement terminée au point e, de sorte qu'une forte combustion complémentaire a encore lieu pendant la phase de détente du point e au point a.
Si la chambre d'explosion travaille par le procé- dé qui fait l'objet de l'invention et d'après lequel la char-
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ge de la chambre est enflammée à la grande surface d'allumage F de la quantité de gaz et d'air qui est enfermée à l'extré- mité de sortie de la chambre, la ligne des pressions change de la façon que montre la ligne i tracée à tirets. La charge de la chambre s'enflamme maintenant déjà au moment k, Par la montée rapide de cette ligne i, on reconnaît de plus que la combustion a lieu beaucoup plus rapidement que c'est le cas avec l'allumage punotiforme normal selon la ligne d'explosion tracée à trait plein. Avec le nouveau procédé d'allumage, la charge 'de la chambre est déjà brûlée en totalité au moment m.
Cela se traduit clairement dans le diagramme par le fait que la ligne 1 descend derrière le point m jusqu'au point n où commence la détente des gaz de combustion, la soupape d'ajutage étant ouverte; il se produit donc une certaine chu- te de pression qui dole être attribuée au passage de chaleur à la paroi de chambre qui a lieu sans combustion complémentai- re.
Si maintenant on fait avancer l'ouverture de la soupape d'ajutage au point m où la charge de la chambre est donc brûlée, la détente des gaz de combustion qui alors com- mence déjà dans ce point, serait caractérisée par la ligne 1 tracée à tirets et points. La pression des gaz de combustion fortement comprimés est alors au moment de l'ouverture de la soupape, approximativement de 28,25 atm. abs., tandis qu'avec allumage punctiforme elle n'est au moment e que de 26,15 atmosphères approximativement.
Ces deux pressions différentes au début de la phase de détente ont été trouvées par des me- sures sur des chambres d'essai en fonction, et elles confir- ment les indications qui précèdent,
De ces deux valeurs de pression il ressort qu'avec le nouveau procédé comparé avec la conduite à allumage puncti- forme, - l'alimentation de combustible et le mélange restant
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les mêmes -, l'augmentation de pression des gaz de combustion est de 12 % environ. Proportionnellement à cette augmentation de pression plus forte, on obtient évidemment aussi un rende- ment d'énergie des gaz plus fort.
Dans les essais qui ont été faits, l'amélioration de la combustion réalisée avec l'inven- tion a encore été rendue palpable par le fait que l'échappe- ment hébuleux qui se présente régulièrement dans la conduite à allumage punctiforme et qui, on le sait, fait conclure à une mauvaise combustion, devient absolument incolore et ino- dore lorsque la combustion s'opère selon le nouveau procédé.
Lors de la mise en marche d'une chambre d'explo- sion 1 qui se trouve à l'état froid, où l'air qui entre dans la chambre, faute de restes de gaz de combustion et les parois étant encore froides, ne peut encore absorber de chaleur, le nouveau procédé d'allumage rend certaines dispositions néces- saires.
Si l'on utilise pour la conduite de la chambre d'explosion, des combustibles qui s'allument facilement, on emploiera pour la mise en marche convenablement une source d'allumage 10 sous forme d'une ou plusieurs bougies à comman- de électrique. Aussit8t que l'état permanent régnera dans la chambre, on pourra de nouveau mettre ces sources d'allumage auxiliaires hors circuit, de sorte que dans la suite du fonc- tionnement et après que la quantité d'air etvde gaz enfermé à l'extrémité de sortie pendant le chargement aura donc de nouveau été chauffée à la température d'allumage nécessaire par la présence de chaleur de rayonnement en quantité suffi- sante, l'inflammation de la charge de la chambre se fera à la surface d'allumage F.
Pour des raisons d'un allumage abso- lument sûr, on pourra évidemment aussi pendant tout le temps de service, laisser une ou plusieurs de ces sources d'alluma- ge 10 continuer de travailler. Ces sources d'allumage, fonc-
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tionnant comme allumeurs de sûreté, sont avant tout avanta- geux lorsque les gaz produits dans la chambre d'explosion sont utilisés pour le service d'une machine où la charge et le nombre de tours changent fréquemment et fortement, de sor- te que par suite de ces variations, les conditions de rem- plissage de la chambre d'explosion changent brusquement et souvent par sauts. Si l'on laisse maintenant ces allumeurs auxiliaires continuer leur collaboration aussi pendant l'état permanent, leur commande se fera évidemment de façon qu'ils allument après le moment où se produit l'allumage par la sur- face F.
Dans ces conditions, les allumeurs auxiliaires ne pourront pas troubler l'allumage normal par la surface F, tandis qu'ils détermineront l'inflammation en cas de raté de cette surface.
La mise en marche de la chambre d'explosion pour- ra maintenant être favorisée, cela notamment avec des combus- tibles difficilement inflammables, en lui amenant l'air de remplissage à l'état fortement chauffé. A cet effet, l'air est avant son entrée dans la chambre d'explosion envoyée à travers un réchauffeur. Si dans le service normal on a dispo- sé un refroidisseur pour refroidissement de l'air de remplis- sage en vue d'obtention d'un fort poids de cet air, on pour- ra, soit éliminer convenablement ce refroidisseur pendant la période de démarrage, soit encore, si cela ne suffit pas, le faire fonctionner comme réchauffeur d'air, en lui amenant un agent de chauffage, par exemple de la vapeur.
Les conditions se présentent d'une manière particulièrement simple et favo- rable lors de la mise en marche d'une installation d'explo- sion, si l'on chauffe artificiellement, au préalable, l'extré- mité de sortie de la chambre d'explosion, de manière à élever la température de d'air qui s'y trouve enfermé,
Le chauffage préalable de l'air de remplissage
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etde balayage, ainsi que de l'extrémité de sortie de la cham- bre, pourra s'effectuer de façons très variées. Ainsi par exemple l'échangeur de chaleur 16, qui, à l'état permanent de l'installation, travaille comme refroidisseur, pourra pen- dant la période de démarrage fonctionner comme réchauffeur.
La même disposition peut être prise en ce qui concerne le refroidisseur de l'air de remplissage, de façon qu'il refroi- disse à l'état permanent de l'installation, l'air de remplis- sage à introduire, tandis qu'il chauffe cet air pendant le démarrage. Une telle constitution de l'échangeur de chaleur 16 ou de l'échangeur de chaleur pour l'air de remplissage, est caractérisée par exemple en ce que ces échangeurs de chaleur pourront, par des soupapes à changement de direction, être mis en communication alternativement avec des agents de refroidissement et avec des agents de chauffage, comme par exemple de la vapeur ou autres.
On pourra de cette manière, très simplement obtenir des degrés de température variés de l'agent de refroidissement pour la chambre d'explosion et pour l'air de remplissage, en montant par exemple en parallè- le les deux échangeurs de chaleur, tandis qu'avec des tempé- ratures de chauffage plus basses, on les montera en série.
Un chauffage encore plus fort de. l'air de remplissage peut être obtenu si l'on met hors d'action les refroidisseurs in- termédiaires ménagés toujours avec les compresseurs à plu- sieurs étages. Le chauffage préalable de l'extrémité de sor- tie de la chambre et de l'air introduit dans la chambre d'ex- plosion en vue du démarrage, pourra évidemment s'effectuer de toute autre façon appropriée. A côté des refroidisseurs qui, pendant la permanence de l'installation d'explosion, opè- rent le refroidissement de l'agent réfrigérant des parois de la chambre d'explosion etle refroidissement de l'air de rem- plissage, on pourra ménager des .réchauffeurs spéciaux pour
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l'agent réfrigérant et pour l'air de remplissage, établis in- dépendamment des refroidisseurs.
Pour perfectionner le nouveau procédé de conduite, on rend encore selon l'invention variable le moment de l'in- flammation du mélange de combustible et d'air, à l'égard du temps de chargement disponible selon le cas, de façon que l'inflammation ne commence toujours qu'après la formation d'un mélange uniforme pénétré d'air etvde combustible, en évi- tant des avances à l'allumage. Avec une exécution selon la figure 1, le réglage du moment d'allumage pourrait se faire de la façon la pls simple par décalage dans le temps de l'admission de combustible par rapport à l'admission d'air de remplissage.
Puisqu'avec une commande hydraulique des sou- ' papes d'installations d'explosion, les pompes à combustible sont la plupart du temps également à commande hydraulique, la seule chose nécessaire pour ce décalage de l'admission de combustible est de munir d'une boite ajustable, la partie de distribution du tiroir tournant dans le distributeur d'huile sous pression qui influe sur la pompe à combustible.
Si l'on fait tourner cette botte un peu, par exemple en dépendance du régulateur ou encore, lors du démarrage, à la main, les temps de distribution de la pompe à combustion changent par rapport aux temps de distribution des soupapes de l'installation; les temps nécessaires pour faire passer le combustible de l'en- droit de son admission dans la chambre d'explosion à l'endroit d'inflammation, devient d'autant plus long que la pompe à com- bustible commence plus tard son travail effectif, ou que la boite ajustable est donc tournée plus loin dans le distribu- teur d'huile sous pression, dans le sens du mouvement tournant du tiroir rotatif .
Le diagramme selon la figure 4 montre les condi- tions qui se présentent lors du réglage des moments d'allumage.
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Ce diagramme représente de nouveau entre les axes d'ordonnées Z, le cours de la courbe des pressions dans la chambre d'ex- plosion pendant une période de travail complète, avec les dif- férentes phases du processus, semblablement au cours des pres- sions du diagramme figure 3 où l'inflammation du mélange de combustible et d'air a lieu au moment k, etoù la soupape d'ajutage s'ouvre au moment n. Dans la figure 4, la ligne o tracée à tirets et points indique la marche des pressions de l'air de remplissage complémentaire, la ligne p tracée à ti- rets longs indique la marche des pressions de l'air de bala- yage devant les soupapes correspondantes, etla ligne ¯% tra- cée à tirets courts donne le cours de la contrepression der- rière la soupape d'ajutage. Toutes ces lignes se rapportent à l'échelle à gauche des ordonnées en atm. abs.
La ligne ponctuée r qui est encore tracée dans le dessin, représente le cours de la pression du combustible dans la conduite de refoulement de la pompe pendant la course de pression, et ce sont les valeurs plus fortes en atmosphères effectives, mar- quées à droite de l'axe d'ordonnées, qui lui servent d'échel- le. Dans la figure 5 on a représenté les mouvements des or- ganes d'entrée et de sortie de la chambre d'explosion; la ligne en trait plein A donne le diagramme de la levée de la soupape d'ajutage, la ligne B tracée à tirets donne le dia- gramme de levée de la soupape d'air de balayage, et la ligne C travée à tirets et points donne le diagramme de levée de la soupape de remplissage complémentaire.
L'échelle des abs- cisses est donnée, d'une part, en degrés d'angle de 360 , se rapportant à un tour complet du distributeur d'huile qui con- trôle toutes les soupapes, commençant à 0 au moment de l'ou- verture de la soupape d'ajutage, et d'autre part en secondes, étant supposé à titre d'exemple qu'une période de travail pleine, donc un tour unique complet du tiroir rotatif du dis-
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tributeur d'huile dure O,32 de seconde. La soupape d'ajutage ouvre de nouveau au point n, de sorte que les gaz fortement comprimés se détendent hors de la chambre d'explosion, jus- qu'au po'int a où a lieu l'ouverture de la soupape à air de balayage. Cette soupape ferme de nouveau au point t. Alors la soupape d'ajutage se ferme aussi, et elle est complètement fermée au point u.
Approximativement au même moment la soupa- pe d'air de remplissage s'ouvre au point b, de façon que l'air de remplissage sous forte pression entre à grande vitesse dans la chambre d'explosion remplie d'air de balayage sous pression moins forte. Approximativement au début de l'intro- duction d'air de remplissage dans la chambre, la pompe à com- bustible commence sa course de refoulement, cela au point v, donc dans le cas représenté à peu près à 120 avant l'ouver- ' ture de la soupape d'ajutage. L'injection effective du com- bustible refoulé ne commence pourtant qu'au point w où la pression dans la conduite de combustible allant au gicleur dépasse la pression de fermeture de ce dernier.
L'injection de combustible se fait donc dans le temps après le commence- ment d'amenée d'air de remplissage, soit à un moment où la vitesse de l'air primitivement très grande aura déjà diminué à une valeur déterminée, puisque la contrepression dans la chambre d'explosion augmente avec le progrès du remplissage.
Le combustible rencontre donc une vitesse d'écoulement de l'air d'autant plus petite que l'injection de combustible s'effectue plus tard après le début d'amenée d'air de remplis- sage. Plus la vitesse de l'air sera faible, plus il se passe- ra de temps jusqu'à ce que les premières particules de combus- tible arrivent à tre portées au point d'allumage k et que l'inflammation de produise. Le temps absolu qui s'écoule du moment de 1'injection au moment de l'allumage du mélange, donc l'espace x marqué dans le diagramme, est déterminé par le mo-
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ment de l'injection de combustible par rapport au commence- ment de l'amenée d'air de remplissage.
D'après l'invention maintenant, le moment w de l'injection de combustible doit être réglé de façon que le moment de la fermeture de la sou- pape de remplissage et le moment z de la fin d'injection de combustible se trouvent situés dans le temps avant le point d'allumage k, donc dans l'intervalle (retard d'allumage).
On obtient par là avant tout que l'inflammation du mélange de combustible et d'air n'aura lieu toujours qu'après la ferme- ture de nouveau de la soupape d'air de remplissage et de la soupape à combustible, de sorte que les gaz d'explosion ne puissent entrer dans les conduites menant à ces organes.
Si toutefois, en vue de l'obtention d'une bonne pulvérisation du combustible, on désire utiliser à cet effet la vitesse d'écoulement maximum de l'air qui règne au début de l'amenée d'air de remplissage, de sorte que le commence- ment de l'introduction d'air de remplissage et le commence- ment d'introduction da combustible coïncident au moins appro- ximativement, cela pourra se faire selon l'invention, aussi par changement du nombre de périodes de travail de la cham- bre d'explosion. Puisque le nombre de périodes de travail est donné par la vitesse du distributeur d'huile qui est l'équi- valent d'une distribution de tout autre genre, on change la vitesse de rotation du tiroir tournant dans le distributeur d'huile.
De cette façon l'échelle en temps change par rapport à l'échelle en degrés, et avec cela change encore la longueur du retard d'allumage, dépendant uniquement de l'échelle en temps, par rapport aux autres grandeurs (phases de distribu- tion d'une période de travail) qui varient, dans le temps, avec le nombre de périodes, c'est-à-dire avec le nombre de tours du distributeur d'huile (vitesse de l'arbre de distri- bution); ces autres grandeurs (phases de distribution) dépen-
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dent en effet uniquement de l'échelle en degrés.
Il est évident que le nouveau procédé de conduite et ses différents détails ne sont pas limités aux modes d'exé- cution ci-dessus décrits et représentés dans les dessins. Le procédé est applicable également dans des installations où les gaz produits dans la chambre d'explosion sont utilisés, non pas dans une turbine, mais par exemple dans des échangeurs de chaleur en cédant leur contenu de chaleur. La disposition et la construction des groupes d'appareils nécessaires à l'installation d'explosion peuvent varier de nombreuses fa- çons. Au lieu de deux soupapes à air, on pourrait par exemple disposer rien qu'une seule soupape à air, servant alors aussi bien au balayage qu'au remplissage de la chambre d'explosion.
Les différentes dispositions du nouveau procédé ne sont fina- lement pas liées les unes aux autres. On pourra par exemple utiliser d'emblée le réglage du retard d'allumage aussi dans des installations dans lesquelles le mélange de combustible et d'air n'est pas enflammé au contact d'un volume de gaz et d'air enfermé dans la chambre d'explosion, mais enflammé par des allumeurs connus (parties incandescentes) installés dans la chambre.
Dans la description qui précède, on doit partout par le terme "état permanent" de l'installation d'explosion comprendre l'état dans lequel l'installation maintient appro- ximativement ses températures de régime, sans que les change - ments de température ou d'autres facteurs de condition de l'installation, provenant par exemple de variations de char- ge ou d'opérations de réglage, entrent en ligne de compte.
Ces sortes de changement ne sont pas à considérer comme étant des changements de.l'état permanent.
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A method and apparatus for igniting and igniting mixtures of fuel and air formed in explosion chambers.
The present invention relates to the conduct of explosion chambers which are intended more especially for combustion turbines, and in which liquid, gaseous or possibly even pulverulent fuels are burned; the combustion gases formed by the explosion are used by taking advantage of the energy they contain.
The invention now has as its object the problem of accelerating appreciably compared to the known methods, the ignition and the progress of the combustion of the mixture of fuel and air in explosion chambers, and of make it possible to determine and regulate with precision the moment of ignition or ignition, that is to say to make it adjustable so that ignition of the flammable mixture will surely only take place after definite loading
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tif of the explosion chamber with the bodies necessary for combustion.
In the solution of this problem, the invention starts from the notion that the most common mode of ignition of a mixture of fuel and air to date, namely ignition using a electric spark, has two basic faults, both of which result from the small surface area of an ignition spark.
As tests have shown, there is, on the one hand, no guarantee that even with an absolutely homogeneous distribution of combustible material in the air charge, the mixture of fuel and air ignites in time directly, that is to say immediately after the production of the spark, because it is not strictly certain that a flammable part of the mixture precisely comes into contact with said spark at the moment when it gushes. On the other hand, the area of the spark is excessively small compared to the charge in the presence of the chamber.
After the ignition has taken place, the combustion of the mixture must therefore propagate in the explosion chamber, starting from this small surface of the spark, in the form of spherical envelopes increasing continuously around the point of Inflammation as a center, just as sound waves propagate through the air from a sound source, in the form of invariably concentric spherical surfaces. The ignition surface which forms in the mixture of fuel and air therefore increases with progressive combustion. As a result, a combustion process, determined by an ignition point, takes a long time because the area of said point is very small at the start.
If the explosive mixture also contains fuels which ignite difficult and which in particular must first be decomposed before
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ignition, the combustion process even lasts a longer time, since the progress or increase of the ignition surface starting from the spark takes place relatively slowly. A certain time therefore always elapses before a sufficiently large active ignition surface forms in the mixture. In the case of a liquid fuel, the quantity of heat necessary for vaporization and gasification must moreover be transmitted by radiation, from the interior of the part of the charge of the chamber already on fire, to the part of the unburnt load, at the start of combustion, is much stronger.
As a result, such a great quantity of heat is withdrawn from the burning part of the load that the temperature of the latter drops considerably. This decrease in temperature again leads to slow and incomplete combustion. To assess the importance of the heat subtraction, the case of a mixture consisting of liquid benzol and air was examined by calculation, taking as a basis a mixture proportion of 1: 32.5, and it has been found that just by the vaporization of liquid benzol, its surroundings are cooled by more than 20 degrees centigrade. With some common fuels addition cooling occurs. nel by the chemical decomposition of the fuel particles which takes place before the combustion of the mixture.
If with this one still chooses for the ignition of the mixture of fuel and air, the ignition by electric spark most frequently employed, where the ignition surface, as already mentioned above, takes the shape of a sphere which continuously enlarges with the progress of combustion, and by which the fuel which surrounds it on all sides must then be vaporized and decomposed, the resulting cooling increases even to the multiple,
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In order to ignite mixtures of pulverulent fuels and to activate combustion, it has already been proposed to determine the ignition artificially in the presence of catalysts, indandescent elements or remains of incandescent ash.
As these igniting agents, unlike sparks, already provide the mixture to be ignited with a relatively large ignition surface from the start, these means always ignite and ignite even pulverulent fuel mixtures and air or oxygen, which, as we know, are difficult to ignite. But such an ignition method has various drawbacks. On the one hand, the duration of these artificial ignition means arranged in the combustion chamber is excessively limited, and moreover their installation in said chamber is not easy to achieve. On the other hand, for construction reasons, it is only possible to give these ignition agents limited dimensions, so that their ignition surface is proportionately limited.
If incandescent elements are used as ignition means, it is very difficult to maintain their temperature at the correct height to ensure the ignition of the mixture infallibly under all operating conditions and circumstances.
When the temperature drops, for example with relatively cold running processes, below a certain value, the ignition of the mixture is delayed or even fails completely. Conversely, with a process becoming hotter, the ignition means may become too hot, so as to be ultimately destroyed or cause continual malfunction.
For all these reasons, these artificial ignition means are hardly suitable for igniting mixtures which contain, for example, liquid or gaseous fuels,
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In knowledge of these shortcomings of the known driving methods, and in order to avoid them and improve the combustion method, according to the present invention, a new method of igniting the mixture of liquid, gaseous or pulverulent fuels in combustion chambers is proposed. preferably oblong explosion; this process consists essentially in enclosing between the exhaust member of the explosion chamber and the mixture of fuel and fresh air, introduced into this chamber, gases of a temperature such that the mixture ignites on the surface of these gases which presents itself to it.
These gases, which serve to ignite the mixture of fuel and air, may for example consist of residual combustion gases which originate from the immediately preceding combustion process, which have been retained in the explosion chamber and which optionally have been mixed with air; however, they can also, for example, consist of air strongly heated by radiation and heat transmission.
This mode of operation presents above all the fundamental advantage that the trapped ignition gases present from the start to the mixture of fuel and fresh air, introduced into the explosion chamber, contrary to what is the case with all the ignition methods known to date, an excessively large ignition surface which, in explosion chambers extended in length, is practically perpendicular or approximately perpendicular to the longitudinal axis of these chambers, this surface being able to moreover, to be curved in itself.
The practice of the new process can be significantly favored by the existence of high temperatures of the parts of the explosion chamber located in the vicinity of the ignition gases, as well as advantageously of the combustion chamber.
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wall of this chamber itself, heated in any suitable manner. A high temperature of these parts is in fact of value not only for determining a strong radiation of heat in the volume of trapped ignition gas and for ensuring the ignition temperature of this gas; these parts also have a heat accumulator which is able to supply the heat which, with some fuels, is required to vaporize and decompose their elements before ignition.
In this way, during the actual combustion, all of the heat of vaporization and decomposition in question is prevented from being withdrawn from the mixture or from its part already ignited; in other words, the surroundings of the fuel particles are prevented from being excessively cooled.
The new process is carried out best in an explosion chamber, cylindrical as possible and in any case extended in length, as is commonly used in constant volume combustion turbines; the intake components for the driving agents (air and fuel) are provided at one end of the explosion chamber, while the exhaust component or components are placed at the end. other end of the room. By this arrangement of the distribution members, it is obtained that the inlet end of the chamber, into which the relatively cold elements of the mixture enter, remains cold, while the exhaust end, through which the relatively cold elements flow. hot gas after combustion of the mixture, is heated strongly.
The ends of the combustion chamber are advantageously, in a known manner, a conical shape, so that the combustion gases are obtained, after the explosion, are expelled from the chamber by the air. which enters it again by acting like a piston. The conical shape of the exhaust end of the explosion chamber has the effect of
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to impart to the combustion gases, with the outlet open, a flow velocity the result of which, experience teaches us, is an increase in the transmission of heat to this exhaust end of the chamber.
The gases which serve to ignite the mixture of fuel and air, housed between the outlet of the explosion chamber and the explosive mixture introduced into this chamber, are advantageously provided in an amount such that they completely fill as far as possible the rear conical end of the chamber, and under these conditions the boundary surface (ignition surface) between these ignition gases and the mixture of fuel and air, is at the moment when the ignition located in the vicinity of the point of connection of the rear cone with the median part of the chamber extended, lengthwise.
The ignition of the mixture is thus obtained from here, at all points of the ignition surface, linearly towards the inlet end of the chamber; a passage of heat from the burning core of the contents of the chamber over the mixture to be burned takes place only at the surface of the hot core facing this mixture to be burned and limited by the periphery of the middle part of the chamber extended in length , area which is very small in proportion to said nucleus, which contrasts much with known spark ignition, where the spherical ignition area which continuously increases with the progress of combustion, is much larger than the ignition mass.
For the heating of the ignition gases housed at the outlet end of the chamber, some residual combustion gas is advantageously used which, when the combustion gases are expelled, during the combustion. sweeping of the explosion chamber, the exhaust member being open, is retained at the outlet end of the chamber by closing
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anticipated from said organ. The process according to the invention is particularly advantageous when the explosion chamber is set up to a very large length, and a relatively long time is available for the expulsion. combustion gases from the chamber, except the remaining portion necessary for ignition of the charge which follows.
Under these conditions, there will already be during the sweeping phase a strong transmission of radiant heat from the combustion gases to the neighboring sweeping and filling air which enters through the chamber inlet, pushing.
The new process guarantees completely safe and complete combustion of any mixture of fuel and air in explosion chambers preferably extended in length, since from the start of ignition! ge, the mixture in the chamber comes into contact with an excessively large ignition surface of sufficient temperature and which can be increased at will by radiation of additional heat. Thanks to the large ignition surface available, the ignition of the mixture takes place very quickly, resulting in lively combustion of the entire mass of the contents of the chamber.
By the new process, it is also possible to burn fuels that in diesel engines, for example, one can only burn with great difficulty and in a very incomplete way; the combustion is so complete that even by chemical agents it is not possible to note, after combustion, the presence of unburned elements of the mixture. In particular, it will now be possible to burn completely odorless, even fuels which burn only incompletely with the known methods, and which consequently give off, as we know, an unpleasant odor.
In the application of the new process to chambers
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explosion bres for engine units, such as combustion turbines, where, as a result of large and frequent variations in the load and the number of revolutions, the conditions for filling the explosion chamber may vary abruptly and by jerks, it will be practical to place additional igniters in the chamber, such as for example permanently incandescent elements or better still, controlled electric sparks, which makes it possible to avoid misfiring with certainty.
These additional igniters will also be used advantageously for activating the explosion chamber, in particular when it was in a cold state. If controlled electric sparks are used as auxiliary igniters, their control is suitably done so that they ignite after ignition which, in the permanent state of the chamber, is determined by the igniting gases which s 'found there.
The auxiliary igniters adjusted in this way cannot disturb the ignitions which, during the permanence of the explosion installation, are determined by the ignition gases retained in the chamber, but they guarantee the ignition. Ignition of the mixture in the event that normal ignition with the ignition gases fails for any reason.
With fuels which do not ignite easily, the installation of additional igniters will not however be sufficient to ensure start-up free from interference. In this case, the state of the mixture at the moment of ignition must already during the start-up phase be brought as close as possible to the state that exists in the permanent state, This can be done with the use of processes and apparatus according to the invention, advantageously by artificially heating the outlet end of the chamber and by
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thereby increasing the temperature of the air contained therein by absorption of radiant heat, or else by generally heating the purging or filling air before it enters the explosion chamber.
The new process can, moreover, be perfected in such a way that it becomes possible to regulate the amount of time that the flammable mixture requires to advance from the inlet end of the explosion chamber to its end of the explosion chamber. output, that is to say to the ignition surface; this adjustment may be made in such a way that it is possible to determine exactly the moment when the ignition of the mixture takes place. In this way, above all, it is possible to prevent this ignition from occurring before the filling of the flammable mixing chamber in the correct quantity and composition is completed.
If, in fact, the ignition of the mixture occurs before the organs for admission of the motive agent into the chamber are closed, the pressure generated by the explosion returns to the conduits of said motive agent which lead to the chamber of explosion, and which are located in front of the intake components, and the driving agent present in the pipes in question is pushed back.
The result is that during the next filling phase, incombustible elements coming from the combustion gases, or even the combustion air charged with combustion gas, first enter the chamber; the mixture formed is therefore incomplete, and under these conditions flawless operation of the explosion chamber is not possible. In addition, by frequent return of combustion gas, the intake valves and the inlet end of the chamber heat up so strongly that the new mixture of fuel and air which forms at the start of filling already ignites on contact with these components, thus determining an even earlier start. oombus-
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tions and completely disturbing the process as a whole.
According to the invention, these difficulties will now be overcome by the means whose description will follow.
A first possibility lies in the variable adjustment, therefore adjustment of the flow speed of the fuel support (air). For this purpose, the start of the introduction of fuel into the explosion chamber is suitably offset in time relative to the introduction of air.
Here we have taken advantage of the notion that immediately at the start of the introduction of air into the chamber, therefore shortly after the opening of the air intake member, the maximum of air velocity prevails in the chamber, because at the time of this opening of the air intake member, the difference between the pressure of the filling air entering, and the back pressure in the room is the strongest; with the progress of the filling of the chamber, the back pressure increases little by little, at the same time as the flow speed of the introduced air decreases proportionally.
The conclusion to be drawn from this is that with coincidence of the beginning of the introduction of fuel and air, the fuel finds in the chamber the highest air velocity, with which the fuel particles arrived first in the chamber. chamber are transported at an extremely high speed towards the exit of the chamber, that is to say towards the place where the inflammation takes place.
If now the fuel is introduced into the chamber, in time, after the beginning of the opening of the air intake member, it emerges from the preceding reflections that the fuel finds in the chamber a higher air speed. lower than its maximum start speed, the more the start of fuel admission is delayed compared to the air intake, the slower the air speeds will be in the presence of the fuel particles.
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ble entering the chamber first, the longer will be the time which elapses until the fuel particles have traveled the distance which separates the orifice of the fuel inlet member from the 'ignition point in the room,
that is to say the more time there is available until the moment of ignition, to complete the introduction of air and fuel into the. chamber, and with this to close the corresponding intake organs in time before inflammation.
But with the increase of the time interval which elapses between the start of injection and the moment of ignition, by the means of delaying the start of injection, it may be that this start does not. takes place only when the filling of the explosion chamber with air is already too advanced, so that as a result of the back pressure which increases with the progress of the filling of the chamber, the flow velocity of l the air has already fallen to such an extent that good atomization of the fuel is no longer possible.
In this case, according to the invention, it is also possible to choose another simple material in order to fix the time space which elapses from the start of the fuel injection to the moment of ignition of the mixture - time space which is called "ignition retardation" this by the fact that the number of working periods of the explosion chamber in the unit of time is modified, that is to say increased or decreased, and at the same time the fuel is injected as much as possible at the moment of the most favorable air speed, advantageously when the filling valve is opened. As a result, the times of the different distribution phases of a complete working period, such as for example the sweeping, filling and exhausting of the combustion gases from the chamber, are lengthened or shortened.
The duration ab-
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The ignition delay solute can be kept constant with all the numbers of periods, if the distribution conditions are chosen so that the start of fuel admission does not vary from the start of fuel introduction. 'air. In this case, the first fuel particles which enter the chamber meet at the moment of injection, at all number of periods, always the same favorable air flow speed, so that the time required It is always the same to carry the mixture to the place of inflammation.
In explosion installations where the ignition delay corresponds at least approximately to the good operating conditions, it is finally also possible to use one or other of the methods which have just been indicated to adjust carefully (fine tuning) the ignition delay.
In the accompanying drawings, there is shown, by way of example, an embodiment of a device suitable for the practice of the new driving method; the differences between the methods according to the present invention and the methods in use to date have also been shown therein in diagrammatic form.
Fig. 1 shows partly in longitudinal section, partly in elevation, an explosion installation for carrying out the process according to the invention.
Fig. 2 shows the pressure versus time curve of the process for operating explosion installations in use until now.
Fig.3 shows on a larger scale the pressure-versus-time diagram of a single period of work; the seo'tion. distribution of the pressure curve as a function of time which characterizes the principle of
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the invention is shown in a particularly clear manner.
Fig. 4 is a diagram showing the pressure conditions as a function of time in the explosion chamber, which are taken into account in the event of a shift in the start of the injection due to the opening of the filling air valve.
Fig. 5 shows the valve lift curves corresponding to the diagram in figure 4.
The working method according to which the control of explosion installations was carried out until now is characterized by the diagram shown in figure 2. In this diagram, the ordinates correspond to the pressure course in the explosion chamber during a complete working period, while we have reported in degrees, on the abscissa, the rotational speeds of a distribution shaft which controls the valves of the explosion chamber, or else of a rotating spool which controls an agent under pressure, in the event of hydraulic valve control, so that a complete revolution of the seeding shaft or of the rotating spool, during which a period of work is accomplished complete, corresponds to 360. In addition, FIG. 2 has shown the time scale in seconds over a complete working period in comparison.
Such a period of work takes place between two neighboring ordinate axes Z-Z, where the distribution shaft or the rotating spool therefore executes a full revolution of 360. At position 0, the nozzle valve (the description of which will be given later with FIG. 1 in support), assuming hydraulic control of all the valves, has been opened, thanks to the arrangement of 'after which a line to the control piston of said nozzle valve has been pressurized by the valve.
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tributor which controls the agent under pressure, preferably oil. The gases generated by the explosion in the explosion chamber escape through the open nozzle valve, towards the turbine rotor.
After the gas pressure in the explosion chamber has dropped to approximately the level of the exhaust pressure, a valve controlling the purge air inlet opens at point a, the control piston of this valve is being subjected to the action of the pressurized oil admitted through the distribution pipe, as a result of the corresponding adjustment of the pressurized oil distributor. Fresh air, previously compressed by a compressor, enters through the purge air valve into the combustion chamber, so that the rest of the combustion gas, coming from the previous explosion, which is still in the chamber, is expelled from it through the still open nozzle valve.
When the chamber has been sufficiently swept, the purge air valve closes, the oil distributor having relieved its distribution line of the oil pressure. Then the nozzle valve closes at point b, the oil distributor having also relieved its distribution line of the oil pressure. After the nozzle valve has closed at point b, a special valve opens for the intake of more highly compressed filler air, and in addition the fuel intake member opens, so that a flammable mixture forms in the explosion chamber.
In the diagram in figure 2, the space c between points b and d corresponds to this filling of the air and fuel chamber, while the space! corresponds to the time during which the rest of the combustion gas is expelled. The mixture is ignited at point d; the explosion is finished at point e where the following ordinate axis is located, Now the strong combustion gas expansion begins again.
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compressed, the nozzle valve having been opened in the meantime, and the different phases of the working period are repeated in the order described above.
While the ignition of the flammable mixture at point d in the diagram in figure 2 should hitherto be done starting from ignition points acting like points, in particular using spark plugs with all the faults attacked. - Singing to this system and reported in detail in the preamble, the present invention aims to ignite the mixture in contact with the large surfaces offered by a mass of strongly heated gas, locked in the explosion chamber.
The installation shown in Figure 1 is used for the practice of this method. This installation comprises first line an explosion chamber 1 extended in length.
The combustion gases produced in this chamber inject the two-crown rotor 2 of the explosion combustion turbine T, established as a Curtis wheel. As usual, the explosion chamber 1 has at one of these conical ends a purge air valve 3, placed on a common axis with said chamber; the air is brought to this valve with a certain pressure, through line 4. In addition, in the conical part of this chamber end, the filling air valve 5 and the inlet member have been arranged. fuel 6. The filling air is brought under pressure to the valve 5, through the line 7, and the fuel is sent to the intake member 6 through the line 8.
The combustion gases formed in the explosion chamber 1 by ignition of the flammable mixture, flow through the exhaust member (the nozzle valve 9) arranged at the other end, also conical of the chamber d. explosion, towards the rotor 2 of the turbine T. In the cylindrical part extended in length of the explosion chamber, a device has been made.
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Ignition device 10, suitably electrically controlled, which with the new process, is mainly used only for activating the chamber. The explosion chamber 1 is in its entire length surrounded by two cooling spaces 11 and 12, separated from each other.
The smaller cooling space 12 serves for cooling the conical outlet end of the chamber 1 where the nozzle valve 9 is located, while the cooling space 11 envelops the part. of the much larger chamber, including the inlet end of the chamber.
The cooling space 12 receives, during the permanent state of the installation, a cooling agent which a rolling pump 13 sends to it via the pipe 14; this refrigerant again flows from the space 12 through the pipe 15, which leads into a heat exchanger 16, from where the pump 13 sucks again, during the permanence of the installation, the The cooling agent after it has given up a certain part of the quantity of heat absorbed into the cooling space 12, into which space it is again transported by the pump. The cooling space 11 receives a cooling agent through the pipe 17, and this agent, heated in said space, is discharged there again through the pipe 18.
The intake and exhaust components of the explosion chamber 1 are hydraulically controlled, as usual. For this purpose, the two air inlet valves 3 and 5, as well as the nozzle valve 9, are each equipped with a piston loaded on one side by a spring, the other side of the valve. piston being by the cylinder which serves as its guide subjected to the action of a pressurized agent, more especially. oil which is sent through the pipes 20, 21 and 22 by a pressurized oil distributor of construction known per se.
This distributor is
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equipped with a rotating spool controlled by a motor, so that the pipes 20, 21 and 22, are checked in determined working times, that is to say so that each pipe is periodically filled with pressurized oil, and is then again relieved of pressurized oil, therefore without pressure.
Leaving aside the special devices 12, 14, 15 and 16, as well as the particular way in which the distribution members of the explosion chamber are operated, the installation shown in figure 1 is absolutely in accordance with the requirements. usual explosion installations already known, working by the process according to the diagram in figure 2.
Contrasting with these known methods, the installation according to Figure 1 works as follows:
The ignition of the charge of the chamber, as far as the permanent state of said chamber is considered, no longer occurs at the controlled ignition points 10, this control preferably being electric, but occurs at a surface. F, which is drawn in dashes and dots in Figure 1, and which stands between the charge to be ignited and a volume of gas and air housed in the conical outlet end of the chamber. This inflammation surface forms during the sweeping phase that takes place in space! between points a and b according to the diagram in figure 2.
During the sweeping where the purging air drives the remaining combustion gases from one end of the explosion chamber to the other, there is already a strong passage of heat from the hot gases expelled to the gas chamber. air pushing from behind like a piston; So that no purge air escapes from the adjustment valve 9, the latter is controlled by the oil distributor so as to close in time, suitably at a time when it is necessary.
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There is still some residual combustion gas in the chamber, so that this residual gas is retained in the chamber 1 between the air which pushes from behind and the closed valve 9.
By this remainder of enclosed gas, the temperature of the adjacent layer of the air pushing from behind, which has already absorbed heat, will be significantly raised. In carrying out the principle of the invention, the temperature can now be increased still considerably by supplying the cooling space 12 which surrounds the conical outlet end of the chamber with a very high cooling agent. temperature (eg hot oil, very hot water, steam, superheated steam, etc.). This medium is circulated by the pump 13, and it is only necessary to partially cool it in the heat exchanger 16 so that it can enter the space 12 at a certain high temperature.
It has been observed by tests that the heating of the outlet end of the chamber is particularly favored if it is given a conical shape, since as a result of the progressive narrowing of the section, it is possible to print large come on. its flow to gases escaping from chamber 1 during expansion. Supported by these high flow velocities, in the conical end of the chamber there will be a particularly strong heat transfer to the chamber wall, so that a large amount of heat will be stored there.
During the filling of the chamber 1, a large part of this stored heat is, by radiation, sent to the rear part of the chamber, and with that into the volume of gas and air per se already hot which s 'is housed therein, as indicated by the arrows drawn in figure 1. This heat radiation is propagated on the surface F which is directed towards the mixture contained in the chamber.
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bre, and which probably takes a concave shape. By the heat radiation on this surface F, its temperature rises to degrees where the mixture in the chamber surely ignites.
This same object of forming a large ignition surface F can according to the invention also be achieved by expelling the rest of the combustion gas completely from the chamber. In this case, the heat stored in the outlet end of the chamber can be sent by radiation into the purging air which accumulates there, identically in the manner above described for the rest. gas. Without doubt, a volume of gas remains is to be preferred as the ignition mass, since these gas residues already have a high temperature, so that the formation of the ignition surface F requires less time and less time. radiated heat only if the outlet end of the chamber contains pure air, the initial temperature of which is lower than that of the gas remains.
In order to clearly show the effect and the superiority of the large ignition surface created according to the invention, compared to the actual ignition by means of electric sparks, we have drawn around the spark plug of the apparatus d. The protruding ignition 10 inside the chamber, the purpose of which will be described later, circles of different sizes. These circles indicate the way in which the ignition of the chamber charge, starting from the originally extremely small electric ignition spark of the spark plug, spreads roughly over a spherical surface which s 'increases successively.
By observing these circles of different sizes, we clearly see that at the time of the primary ignition, it is only a relatively very small ignition surface which presents itself to the charge of the chamber. Yes
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with this it is also considered that before the charge ignites, there must be available a certain quantity of heat for the vaporization and possibly for the dissociation of the elements of the fuel, heat which to a large extent is subtracted from the combustion. ignition mass, it will be recognized that combustion can only take place very slowly and imperfectly.
In all cases, the ignition surface of a spark plug which, originally, is in the form of a point, can only develop very slowly into a large effective ignition surface, as a result of the subtraction of heat mentioned above. Such an ignition surface is moreover - at least in the first phase of combustion - excessively small compared to the unburnt charge which surrounds it.
On the contrary, with the new ignition process, the mixture of fuel and air already encounters at the time of the initial ignition a very large ignition surface F, which in extent does not change much from the beginning until the beginning. at the end of the combustion process. The ignition surface F is therefore only very small compared to the core of the ignition mass, formed by the quantity of gas and air housed at the outlet end of the chamber. Despite the size of the ignition surface F, the quantity of heat which it will have to transmit by radiation to the mixture to be burned, and which is necessary for the venting, gasification and dissociation of the fuel, is only relatively small, that is, small compared to the amount of heat contained in the igniting core.
The heat withdrawn from this ignition core for gasification etc. is always immediately replaced by the heat stored in the wall of the conical outlet of the chamber, heated to high temperature, so that the surface d 'ignition F
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keeps its initial ignition temperature virtually unchanged throughout the combustion process. In this way the combustion of the mixture contained in the explosion chamber will take place very quickly and completely.
In FIG. 3 which only represents, on a larger scale than that of FIG. 2, the phases of a complete working period of the explosion chamber which play a role from the point of view of the invention, we see in what important way the new ignition process is reflected in a diagram, which was taken from an explosion chamber established in accordance with the invention, during the work of this chamber, The solid line gives the curve of the pressures as a function of time of the normal explosion diagram according to FIG. 2, where the ignition of the combustible mixture in the explosion chamber is therefore effected by means of a spark ("punctiform" ignition).
On this curve of the pressures as a function of time, plotted in solid lines, the letters a, b, c, d, e, f, mark as in FIG. 2 the different phases of the process. d is therefore again the ignition moment. By tracing the rising explosion line g which begins at d and ends at point e, we can simultaneously observe the scale of 1!, Abscissa which marks time, see that combustion takes place from a relatively slow: it becomes particularly slow from point h where a pressure in the chamber of 25 atm. abs. approx. is reached.
The course of the line ± from point h to e leads to the conclusion that the combustion of the mixture is not yet completely finished at point e, so that a strong complementary combustion still takes place during the expansion phase. from point e to point a.
If the explosion chamber works by the process which is the object of the invention and according to which the char-
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ge of the chamber is ignited at the large ignition surface F of the quantity of gas and air which is trapped at the outlet end of the chamber, the pressure line changes as shown by the line i plotted with dashes. The charge of the chamber now ignites already at the moment k, By the rapid rise of this line i, it is furthermore recognized that the combustion takes place much more quickly than is the case with the normal punotiform ignition according to the line explosion drawn in solid line. With the new ignition process, the charge in the chamber is already completely burnt by time m.
This is clearly reflected in the diagram by the fact that line 1 descends behind point m to point n where the expansion of the combustion gases begins, with the nozzle valve open; there is therefore a certain pressure drop which can be attributed to the passage of heat to the chamber wall which takes place without additional combustion.
If now we move the opening of the nozzle valve to the point m where the charge of the chamber is burnt, the expansion of the combustion gases which then already begins at this point, would be characterized by line 1 drawn with dashes and dots. The pressure of the highly compressed combustion gases is then at the time of the opening of the valve, approximately 28.25 atm. abs., while with punctiform ignition it is at the moment only approximately 26.15 atmospheres.
These two different pressures at the start of the expansion phase were found by measurements on test chambers in operation, and they confirm the above indications,
From these two pressure values it emerges that with the new process compared with the puncture-ignited pipe, - the fuel supply and the remaining mixture
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the same -, the increase in the pressure of the combustion gases is approximately 12%. In proportion to this greater pressure increase, a higher energy yield of the gases is obviously also obtained.
In the tests which have been carried out, the improvement in combustion achieved with the invention has been further made palpable by the fact that the hebulous exhaust which regularly appears in the pipe with punctiform ignition and which, on This is known, led to the conclusion that there was poor combustion, and becomes absolutely colorless and odorless when combustion takes place according to the new process.
When starting up an explosion chamber 1 which is in a cold state, where the air which enters the chamber, due to the lack of combustion gas residues and the walls being still cold, do not can still absorb heat, the new ignition process makes certain provisions necessary.
If easily ignited fuels are used for the operation of the explosion chamber, an ignition source 10 in the form of one or more electrically controlled spark plugs will be employed for starting suitably. . As soon as a permanent state reigns in the chamber, these auxiliary sources of ignition can be switched off again, so that in the course of operation and after the quantity of air and gas trapped at the end output during charging will therefore have been heated again to the necessary ignition temperature by the presence of radiant heat in sufficient quantity, the ignition of the charge in the chamber will take place at the ignition surface F.
For reasons of absolutely safe ignition, one or more of these ignition sources 10 can of course also continue to operate during the entire operating time. These ignition sources operate
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operating as safety igniters, are above all advantageous when the gases produced in the explosion chamber are used for the service of a machine where the load and the number of revolutions change frequently and strongly, so that by As a result of these variations, the conditions for filling the explosion chamber change abruptly and often in jumps. If we now allow these auxiliary igniters to continue their collaboration also during the permanent state, their control will obviously be done so that they ignite after the moment when the ignition by the surface F occurs.
Under these conditions, the auxiliary igniters will not be able to disturb the normal ignition by the surface F, while they will determine the ignition in the event of failure of this surface.
The start-up of the explosion chamber can now be encouraged, in particular with low-flammable fuels, by bringing the filling air to it in a strongly heated state. For this purpose, the air is before entering the explosion chamber sent through a heater. If in normal service a cooler has been provided for cooling the filling air with a view to obtaining a high weight of this air, it will be possible to either properly eliminate this cooler during the period of filling. start-up, or again, if that is not enough, operate it as an air heater, by supplying it with a heating agent, for example steam.
The conditions present themselves in a particularly simple and favorable manner when starting up an explosion installation, if the exit end of the chamber is artificially heated beforehand. explosion, so as to raise the temperature of the air contained therein,
Pre-heating the filling air
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and sweeping, as well as the outlet end of the chamber, may be performed in a variety of ways. Thus, for example, the heat exchanger 16, which, in the permanent state of the installation, works as a cooler, may during the start-up period function as a heater.
The same arrangement can be made with regard to the cooler of the filling air, so that it cools in the permanent state of the installation, the filling air to be introduced, while it heats this air during start-up. Such a constitution of the heat exchanger 16 or of the heat exchanger for the filling air is characterized, for example, in that these heat exchangers can, by change of direction valves, be placed in communication alternately. with cooling agents and with heating agents, such as for example steam or the like.
In this way, it will be possible very simply to obtain varying degrees of temperature of the cooling medium for the explosion chamber and for the filling air, for example by mounting the two heat exchangers in parallel, while 'with lower heating temperatures they will be mounted in series.
Even stronger heating of. the filling air can be obtained by disabling the intercoolers, always provided with the multi-stage compressors. The preheating of the outlet end of the chamber and of the air introduced into the explosion chamber with a view to starting up, could obviously be carried out in any other suitable manner. In addition to the coolers which, during the operation of the explosion installation, cool the coolant of the walls of the explosion chamber and cool the filling air, it is possible to provide .special heaters for
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the refrigerant and for the filling air, established independently of the coolers.
In order to improve the new driving method, according to the invention, the moment of ignition of the fuel and air mixture is further made variable, with respect to the charging time available as the case may be, so that the Ignition always begins only after the formation of a uniform mixture permeated with air and fuel, avoiding advances in ignition. With an execution according to figure 1, the adjustment of the ignition moment could be done in the most simple way by time shifting of the fuel inlet relative to the filling air inlet.
Since with hydraulic control of the valves of explosion plants, the fuel pumps are mostly also hydraulically controlled, all that is necessary for this offset of the fuel inlet is to provide an adjustable box, the distribution part of the rotating spool in the pressurized oil distributor which influences the fuel pump.
If this boot is turned a little, for example in dependence on the regulator or again, during start-up, by hand, the distribution times of the combustion pump change in relation to the distribution times of the valves of the installation. ; the time required to pass the fuel from the point of its admission into the explosion chamber to the point of ignition, becomes all the longer the later the fuel pump begins its effective work , or that the adjustable gearbox is therefore turned further in the pressurized oil distributor, in the direction of the rotating movement of the rotary spool.
The diagram according to figure 4 shows the conditions which arise when adjusting the ignition times.
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This diagram represents again between the axes of ordinates Z, the course of the curve of the pressures in the explosion chamber during a complete working period, with the different phases of the process, similarly during the pres- sions of the diagram in figure 3 where the ignition of the mixture of fuel and air takes place at time k, and where the nozzle valve opens at time n. In figure 4, the line o traced with dashes and dots indicates the progress of the pressures of the additional filling air, the line p traced with long bars indicates the course of the purging air pressures in front of the corresponding valves, and the short dashed line ¯% shows the course of the back pressure behind the nozzle valve. All these lines refer to the scale to the left of the ordinates in atm. abs.
The dotted line r which is still traced in the drawing represents the course of the fuel pressure in the discharge line of the pump during the pressure stroke, and these are the highest values in effective atmospheres, marked to the right of the ordinate axis, which serve as its scale. FIG. 5 shows the movements of the entry and exit members of the explosion chamber; the solid line A gives the diagram of the nozzle valve lift, the dashed line B gives the lift diagram of the purge air valve, and the line C the span with dashes and dots gives the lifting diagram of the additional filling valve.
The abscissa scale is given, on the one hand, in 360 degrees of angle, relating to one complete revolution of the oil distributor which controls all the valves, starting at 0 at the time of opening of the nozzle valve, and on the other hand in seconds, being assumed as an example that a full working period, therefore a single complete revolution of the rotary valve of the dispenser
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Oil tributor lasts 0.32 of a second. The nozzle valve opens again at point n, so that the strongly compressed gases expand out of the explosion chamber, to the point where the opening of the air valve takes place. scanning. This valve closes again at point t. Then the nozzle valve also closes, and it is completely closed at point u.
At approximately the same time, the charge air valve opens at point b, so that the high pressure charge air enters at high speed the explosion chamber filled with less pressurized purging air. strong. Approximately at the start of the introduction of filling air into the chamber, the fuel pump begins its discharge stroke, this at point v, so in the case shown approximately at 120 before opening. 'ture of the nozzle valve. However, the actual injection of the pumped fuel does not begin until the point w where the pressure in the fuel line going to the nozzle exceeds the closing pressure of the latter.
The fuel injection therefore takes place over time after the start of the filling air supply, i.e. at a time when the initially very high air speed will have already decreased to a determined value, since the back pressure in the explosion chamber increases with the progress of filling.
The fuel therefore encounters an air flow speed that is all the slower the later the fuel injection takes place after the start of the filling air supply. The lower the air speed, the more time will pass until the first fuel particles arrive at the ignition point k and ignition occurs. The absolute time which elapses from the moment of injection to the moment of ignition of the mixture, therefore the space x marked in the diagram, is determined by the mo-
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of the fuel injection in relation to the start of the filling air supply.
According to the invention now, the moment w of the fuel injection must be adjusted so that the moment of the closing of the filling valve and the moment z of the end of fuel injection are situated. in the time before the ignition point k, therefore in the interval (ignition delay).
In this way, first of all, the ignition of the fuel / air mixture will always only take place after the filling air valve and the fuel valve are closed again, so that explosion gases cannot enter the pipes leading to these components.
If, however, in order to obtain good atomization of the fuel, it is desired to use for this purpose the maximum air flow speed which prevails at the start of the supply of filling air, so that the start of the introduction of filling air and the start of the introduction of fuel coincide at least approximately, this can be done according to the invention, also by changing the number of working periods of the fuel tank. explosion chamber. Since the number of working periods is given by the speed of the oil distributor, which is equivalent to a distribution of any other kind, the speed of rotation of the rotating spool in the oil distributor is changed.
In this way the time scale changes with respect to the degree scale, and with this changes again the length of the ignition delay, depending only on the time scale, with respect to the other quantities (distribution phases). period) which vary over time with the number of periods, ie with the number of revolutions of the oil distributor (speed of the distribution shaft); these other quantities (distribution phases) depend on
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tooth in fact only of the scale in degrees.
It is obvious that the new driving method and its various details are not limited to the embodiments described above and shown in the drawings. The method is also applicable in installations where the gases produced in the explosion chamber are used, not in a turbine, but for example in heat exchangers by transferring their heat content. The arrangement and construction of the groups of devices necessary for the explosion installation can vary in many ways. Instead of two air valves, one could for example have only one air valve, then serving both for flushing and filling the explosion chamber.
The different provisions of the new process are ultimately not linked to each other. For example, the ignition delay adjustment can be used straight away also in installations in which the mixture of fuel and air is not ignited in contact with a volume of gas and air trapped in the chamber. explosion, but ignited by known igniters (incandescent parts) installed in the chamber.
In the foregoing description, the term "permanent state" of the explosion installation should everywhere be understood to mean the state in which the installation maintains its operating temperatures approximately, without temperature changes or other plant condition factors, such as variations in load or adjustment operations, are taken into account.
These kinds of changes are not to be regarded as permanent changes of state.