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" Perfectionnements apportés aux appareils de combustion.".
La présente invention est relative à des appa- reils de combustion pour brûler un combustible fluide dans un courant d'air; et elle concerne plus particulièrement (mais non exclusivement) un dispositif pour braler un com- bustible liquide et sous pression dans un engin moteur ou propulseur comprenant un compresseur et une turbine à gaz.
L'objet de l'invention peut s'appliquer aveo avantage à un tube de flamme faisant partie d'une unité mo- trice qui sert à la propulsion d'un aéronef, par exemple, et qui comprend un compresseur d'air, plusieurs chambres de combustion alimentées par ,celui-ci et une turbine à gaz en- -1-
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traînant le compresseur, d'une manière continue, par de l'é- nergie fournie par les produits de la combustion. Dans des @ machines de ce genre, on peut admettre que chaque chambre de combustion est constituée par une chambre cylindrique extérieure dans laquelle l'air pénètre à une extrémité et par un tube de flamme intérieur, ayant un diamètre moindre et dans lequel l'air pénètre depuis l'intervalle annulaire existant entre la chambre extérieure et le tube de flamme intérieur.
Ce dernier débite par une extrémité et suivant une direction sensiblement axiale.
L'obtention d'une combustion efficace, pour une large zone de variations de la richesse du mélange et dans les conditions de fonctionnement variées, constitue, en elle- même, un problème technique difficile quand on veut tenir compte des limitations de volume, des vitesses élevées de l'air et si l'on veut éviter les dép8ts de carbone et des chauffages locaux excessifs. On a également constaté qu'il est désirable que la stratification des gaz à la sortie (c'es à-dire des variations importantes de la température sur l'é- tendue d'une tranche du courant) soir réduite au minimum.
Il est d'usage de considérer le courant d'air, passant dans un tube de flamme, comme étant constitué par deux ou même trois genres différents. L'air "primaire" est la partie, de l'ensemble du courant total passant par le tu- be, qui est nécessaire pour effectuer la combustion pour tou- tes les conditions de fcnctionnement; l'air "secondaire" est la partie restante ou la proportion qui est nécessaire pour effectuer la combustion complète et qui agit comme diluant, et l'air"tertiaire", s'il existe, est principalement de l'air agissant comme diluant. L'air diluant est, évidemment, celui qui est en excès sur l'air nécessaire à la combustion mais qui doit être chauffé pour permettre le fonctionnement de l'u- nité motrice ou pour d'autres buts.
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La présente invention concerne, en réalité, un forme d'un tube de flamme qui, en pratique:: a donné toute satisfaction, qui est d'un usage raisonnablement prolongé, facile à construire et qui est léger. Un but fonctionnel, poursuivi par l'invention, réside dans le fait que l'on veut obtenir un équilibre correct entre les courants d'air pri- maire, secondaire et tertiaire et que l'on veut pouvoir con- trôler ces courants de manière que leur distribution soit favorable à la combustion. En particulier, on a constaté par expérience que la disposition permet une vaporisation compl- te du combustible injecté sans que celui-ci soit exposé à un refroidi ssement.
L'invention consiste, principalement, à consti- tuer le tube de flamme, faisant partie des appareils du gen- re en question, par un corps tubulaire dont une extrémité est ouverte pour la sortie des prdduits de combustion et dont l'autre extrémité est fermée, excepté aux endroits où sont percès de petitstrous, des moyens étant prévus pour intro- duire du combustible dans le tube dans la régmon voisine de son extrémité fermée,'la paroi du tube dans cette région (dans laquelle se produit la combustion primaire) comprenant des ouvertures auxquelles sont adjoints des moyens directeurs d'air vers l'intérieur du tube suivant une direction tan- gentielle alors que d'autres ouvertures sont ménagées dans la paroi du tube, plus près de l'extrémité ouverte de celui- ci,
auxquelles on adjoint également des moyens directeurs d'air afin que cet air puisse également pénétrer dans le tube suivant une direction tangentielle. Le combustible est, de préférence-, du combustible liquide injecté dans la région voisine de l'extrémité fermée. Les moyens directeurs d'air sont principalement établis à l'extérieur de l'alésage du tube et leur fonction est d'obliger l'air admis à se dépla- cer, dans l'alésage, suivant.un tourbillon. Les ouvertures avec leurs moyens directeurs d'air pour l'une quelconque des
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régions du tube; axialement définie, sont disposées suivant un cercle ou suivant une série d'anneaux et elles sont régu- lièrement espacées dans le sens circonférentiel.
A côté des ouvertures avec moyens directeurs d'air, on prévoit de pré- férence, d'autres ouvertures qui sont des trous ordinaires établis principalement du côté de l'extrémité ouverte du tu- be. Les moyens directeurs d'air, dans une région axialement définie peuvent être orientés en sens inverse, dans le sens transversal du tube, par rapport à ceux d'une région adjacen- te, c'est-à-dire plus en amont ou en aval. Les moyens direc- teurs d'air peuvent être constitués par les aubes de section transversale rectangulaire et qui convergent vers la direc- tion du courant d'air, ces aubes étant avantageusement for- mées à l'aide de tôles.
La longueur suivant laquelle les moyens directeurs d'air font saillies à l'intérieur du tube est réduite et l'importance de ces saillies est telle qu'el- les ne gênent pas, d'une manière substantielle, l'écoulement de l'air dans le tube ce qui évite toute turbulence locale sérieuse causée par ces saillies. De plus, celles-ci sont ex- posées, au minimum, à être abimées par contact avec la flam- me ou avec les gaz chauds.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre'd'exem- ple, un tube de flamme établi selon l'invention et sonmonta- ge dans une chambre de combustion.
La fig.l montre, en coupe axiale, un tube de flamme et les organes qui y sont adjoints ainsi que son mode de montage et de maintien.
La fig.2 montre, en perspective (parties en ceu- pe), l'aspect extérieur du tube de flamme.
La fig. 3 montre, en coupe et à plus grande échel- le, un des moyens directeurs d'air.
La fig.4 montre, en élévation, une unité motrice pour la propulsion par réaction d'un avion comme exemple d'un
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cas où l'invention peut être appliquée.
Sur la fig. 4, on a montré le rotor 22 d'un compres- seur centrifuge à double effet et qui aspire de l'air par les deux admissions 23. L'air comprimé est débité par des sorties 25, ménagées dans le stator 24 du compresseur, vers plusieurs chambres de combustion ou boites à air 1, reliées entre-elles et établies symétriquement en cercle autour de l'axe du compre; -seur 22. Chaque chambre 1 comprend un tube de flamme 8 dans lequel sont ménagées des ouvertures appropriées par lesquel- les de l'air est admis. Un brûleur 4 projette du cbmbustible sous pression, fourni par une source d'alimentation et par une pompe 26, dans le tube de flamme 8, le mélange gazeux é- tant allumé, par exemple, par une bougie électrique.
Les pro- duits gazeux traversent ensuite des conduits coudés 5 jus- qu'au groupe de tuyères 6 d'une turbine 31, montée sur le mé- me arbre 32 que le rotor 22 du compresseur. Les gaz chauds entraînent ainsi la turbine 31 qui, à son tour, actionne le rotor 22 et les gaz, après avoir traversé la turbine 31, s'é- coulent dans un conduit annulaire 33 formé entre un carénage conique 34 et un tuyau 35, pour être évacués finalement dans l'atmosphère par la sortie 36 dudit tuyau 35 en formant ainsi un jet principal.
Le tube de flamme 8 est montré à plus grande échel le sur la fig.l. Chaque chambre de combustion est constituée par une paroi cylindrique 1 avec une entrée d'air 2, une ex- trémité de ce tube étant fermée par un fond semi-sphèrique 3 qui est traversé axialement par un brûleur 4 dont la fonction est d'injecter du combustible liquide à l'état atomisé. De l'intérieur de la chambre de combustion 1 part un conduit collecteur coudé 5 pour amener les produits de la combustion latéralement hors de cette chambre vers les tuyères 6 de la turbine à gaz"(fig.4). Le condutt latéral d'pir 7 part de la chambre de combustion 1 vers,fine chambre voisine identique.
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Coaxialement par rapport à la chambre 1 on loge dans celle-ci le tube de flamme 8. Celui-ci est constitué par un corps cylindrique, en tôle dont une extrémité 9 est . ouverte et emboîtée dans l'extrémité ouverte et voisine du conduit collecteur 5. l'autre extrémité du tube de flamme 8 est pratiquement fermée par un fond bombé 10 percé de petites ouvertures 11 disposées le long d'une circonférence. Le fond 10 comporte également une ouverture centrale et axiale dans laquelle est monté un manchon 4A, prolongé vers l'intérieur et dans lequel est logé le brûleur 4. A l'extérieur du fond 10 ast établi un écran tronconique 12 avec une ouverture centrale relativement grande.
L'intervalle entre les organes 10 et 12 fait fonction de passage distributeur pour amener de l'air à l'entrée 13 d'aubes directrices 14 pour l'air, qui sont disposées en cercle ou suivant des séries circon férentielles en étant uniformément espacées autour du tube de flamme, la direction de ces aubes étant tangentielle.
Quand l'air, qui pénétre par les aubes 14, arrive à l'inté- rieur ou dans l'alésage du tube de flamme 8, il forme un courant de nature tourbillonnaire et il est à noter que cet air, en se mélangeant au combustible injecté, brûle dans la région de l'extrémité fermée du tube de flamme, cette com- bustion se faisant avec un mélange, relativement riche et étant auto-entretenue au cours de toutes les conditions opé- ratoires en constituant la combustion primaire. La combustion se poursuit d'elle-même, principalement à cause du tourbil- lonnement qui donne lieu à un reflux du courant sur lui-mé- me ou à la formation d'un noyau inversé par lequel une cer- taine partie de la flamme reste toujours entretenue dans la région où se fait l'injection du combustible.
Au délà de la région de combustion primaire on ménage des ouvertures dans la paroi du tube de flamme pour l'introduction de l'air se- condaire . Certaines de ces ouvertures sont constituées, sum-
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plement, par des trous ordinaires 15 repartis sur une me- me circonférence alors que d'autres ouvertures 16 et 17 com- portent des aubes directrices 16A et 17A pour l'air. Les ou- vertures 16 sont disposées en cercle et on a trouvé avanta- geux d'orienter leurs aubes 16A en sens inverse par rapport aux aubes 14. Les aubes 17A sont également disposées en cer- cle et écartées axialement des aubes 16A tout en étant égale- ment dirigées en sens inverse, c'est-à -dire dans le même sene que les aubes 14.
Les dernières ouvertures, prévues en aval, sont des trous 18, un peu allongés, car on a constaté que cette forme est la plus avantageuse pour l'introduction de l'air tertiaire dans cette région.
Le tube de flamme, dont l'extrémité ouverte 9 est supportée de manière que tout mouvement soit empêché à l'exception de son mouvement axial à cause de l'embottement, est supporté à son extrémité fermée de diverses manières qui peuvent être utilisées simultanément ou séparément. Dans cer- tains cas on peut la supporter et la maintenir par le brû leur 4 ou par toute autre monture tubulaire de ce brûleur, telle que le manchon 4A. Elle peut également être supportée par la bougie d'allumage, telle que 19 et dans le cas où la cham bre de combustion ne comporte pas de bougie, celle-ci peut être remplacée par un organe factice analogue.
Elle peut aussi être supportée par un organe tubulaire ,20 qui forme une dérivation entre l'intérieur du tube de flamme 8 et un tube de flamme adjacent et analogue, logé dans la chambre de combustion voisine. On voit que la dérivation 20 est lo- gée dans le conduit 7 et elle peut être supportée dans ce- lui-ci par une plaque perforée 21 intercalée dans un joint d'assemblage du conduit 7.
La forme générale des aubes est montrée sur la fig.3. Le passage d'air, délimité par l'aube, converge vers l'écoulement. de l'air et la pièce, constituant cette aube, -7-
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est établie surtout à l'extérieur de l'alésage du tube de flamme. La saillie interne et unique est inclinée par rapport à la direction du tourbillon des:gaz dans le tube de flamme et est refroidie d'une manière appropriée par le courant d'air traversant l'aube. Il en résulte que la pièce ne risque pas d'être abimée par la combustion et qu'elle ne peut guère fa- voriser la formation d'une turbulence locale importante dans l'alésage.
Les aubes 14 diffèrent de celle montrée sur la fig. 3, par le fait que l'entrée d'air est disposée d'une ma- nière un peu différente comme bien visible en 13 sur la fig.2
Il @@ résulte ¯de ce qui précède qne le tube de flamme peut être monté, d'une seule pièce, dans la chambre de combustion 1 avant l'assemblage final et qu'il est suppor- té suffisamment dans celle-ci pour que la chambre avec son tube puisse être assemblée ainsi ux autres pièces. En géné- ral et pour autant qu'i] s'agisse du tube de flamme lui-même, l'extrémité fermée est considérée comme étant le bout amont et l'extrémité ouverte 9 le bout aval.
REVENDICATIONS.
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"Improvements made to combustion devices.".
The present invention relates to combustion apparatus for burning a fluid fuel in a current of air; and it relates more particularly (but not exclusively) to a device for burning a liquid fuel under pressure in a motor or propellant device comprising a compressor and a gas turbine.
The object of the invention can be applied with advantage to a flame tube forming part of a power unit which is used for the propulsion of an aircraft, for example, and which comprises an air compressor, several combustion chambers fed by it and a gas turbine in- -1-
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dragging the compressor, continuously, by energy supplied by the products of combustion. In machines of this kind, it can be assumed that each combustion chamber is constituted by an outer cylindrical chamber into which the air enters at one end and by an inner flame tube, having a smaller diameter and in which the air enters from the annular gap between the outer chamber and the inner flame tube.
The latter debits from one end and in a substantially axial direction.
Obtaining efficient combustion, for a wide range of variations in the richness of the mixture and under various operating conditions, constitutes, in itself, a difficult technical problem when one wishes to take into account the volume limitations, high air velocities and to avoid carbon deposits and excessive local heating. It has also been found desirable that the stratification of the gases at the outlet (ie large variations in temperature over a portion of the stream) be minimized.
It is customary to consider the current of air, passing through a tube of flame, as being constituted by two or even three different kinds. The "primary" air is that part of the total current passing through the tube which is required to effect combustion under all operating conditions; "secondary" air is the remaining part or proportion which is necessary to effect complete combustion and which acts as a diluent, and "tertiary" air, if any, is mainly air acting as a diluent. Diluent air is, of course, that which is in excess of the air required for combustion but which must be heated to enable power unit operation or for other purposes.
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The present invention is, in effect, a form of flame tube which has been found to be satisfactory in practice, which is of reasonably prolonged use, easy to construct and which is light. A functional aim pursued by the invention resides in the fact that it is desired to obtain a correct balance between the primary, secondary and tertiary air currents and that it is desired to be able to control these currents in a manner that their distribution is favorable to combustion. In particular, it has been observed by experience that the arrangement allows complete vaporization of the injected fuel without the latter being exposed to cooling.
The invention consists mainly in constituting the flame tube, forming part of the apparatus of the type in question, by a tubular body, one end of which is open for the exit of the combustion products and the other end of which is open. closed, except in places where small holes are pierced, means being provided for introducing fuel into the tube into the area adjacent to its closed end, the wall of the tube in that region (in which primary combustion occurs) comprising openings to which are added means directing air towards the interior of the tube in a tangential direction while other openings are made in the wall of the tube, closer to the open end thereof,
to which air directing means are also added so that this air can also enter the tube in a tangential direction. The fuel is preferably liquid fuel injected into the region adjacent to the closed end. The air directing means are primarily located outside the bore of the tube and their function is to cause the admitted air to move through the bore in a vortex. The openings with their air directing means for any of the
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regions of the tube; axially defined, are arranged in a circle or in a series of rings and they are evenly spaced circumferentially.
Beside the openings with air directing means, there are preferably other openings which are ordinary holes established mainly on the side of the open end of the tube. The air directing means, in an axially defined region may be oriented in the opposite direction, in the transverse direction of the tube, with respect to those of an adjacent region, that is to say more upstream or upstream. downstream. The air directing means may be constituted by the blades of rectangular cross section and which converge towards the direction of the air current, these blades being advantageously formed with the aid of sheets.
The length over which the air directing means protrudes inside the tube is reduced and the size of these protrusions is such that they do not substantially impede the flow of air. air in the tube which avoids any serious local turbulence caused by these protrusions. In addition, these are exposed, at a minimum, to be damaged by contact with flame or hot gases.
The accompanying drawings show, by way of example, a flame tube constructed according to the invention and its installation in a combustion chamber.
Fig.l shows, in axial section, a flame tube and the members which are attached to it as well as its method of assembly and maintenance.
Fig. 2 shows, in perspective (parts in head), the external appearance of the flame tube.
Fig. 3 shows, in section and on a larger scale, one of the air directing means.
Fig. 4 shows, in elevation, a power unit for the jet propulsion of an airplane as an example of a
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cases where the invention can be applied.
In fig. 4, we have shown the rotor 22 of a double-acting centrifugal compressor which sucks air through the two inlets 23. The compressed air is delivered through outlets 25, formed in the stator 24 of the compressor, to several combustion chambers or air boxes 1, interconnected and established symmetrically in a circle around the axis of the compressor; -seur 22. Each chamber 1 comprises a flame tube 8 in which suitable openings are formed through which air is admitted. A burner 4 projects pressurized fuel, supplied by a power source and by a pump 26, into the flame tube 8, the gas mixture being ignited, for example, by an electric candle.
The gaseous products then pass through bent conduits 5 to the group of nozzles 6 of a turbine 31, mounted on the same shaft 32 as the rotor 22 of the compressor. The hot gases thus drive the turbine 31 which, in turn, actuates the rotor 22 and the gases, after having passed through the turbine 31, flow into an annular duct 33 formed between a conical fairing 34 and a pipe 35, to be finally discharged into the atmosphere through the outlet 36 of said pipe 35 thereby forming a main jet.
The flame tube 8 is shown on a larger scale in fig.l. Each combustion chamber consists of a cylindrical wall 1 with an air inlet 2, one end of this tube being closed by a semi-spherical bottom 3 which is axially crossed by a burner 4 whose function is to inject liquid fuel in the atomized state. From the inside of the combustion chamber 1 starts an elbow collecting duct 5 to bring the combustion products laterally out of this chamber to the nozzles 6 of the gas turbine "(fig.4). 7 starts from the combustion chamber 1 towards, an identical fine neighboring chamber.
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Coaxially with respect to the chamber 1, the flame tube 8 is housed therein. The latter consists of a cylindrical body made of sheet metal, one end of which 9 is. open and fitted into the open end and adjacent to the collecting duct 5. the other end of the flame tube 8 is practically closed by a convex bottom 10 pierced with small openings 11 arranged along a circumference. The bottom 10 also has a central and axial opening in which is mounted a sleeve 4A, extended inwards and in which is housed the burner 4. Outside the bottom 10 ast established a frustoconical screen 12 with a relatively central opening. big.
The gap between the members 10 and 12 acts as a distributor passage to bring air to the inlet 13 of guide vanes 14 for the air, which are arranged in a circle or in circumferential series while being uniformly spaced. around the flame tube, the direction of these blades being tangential.
When the air, which penetrates through the vanes 14, arrives inside or in the bore of the flame tube 8, it forms a current of a swirling nature and it should be noted that this air, by mixing with the The injected fuel burns in the region of the closed end of the flame tube, this combustion taking place with a mixture, relatively rich and being self-sustaining during all operating conditions constituting the primary combustion. Combustion continues on its own, mainly because of the vortex which gives rise to the current backing up on itself or to the formation of an inverted nucleus by which some part of the flame is always maintained in the region where the fuel is injected.
Beyond the primary combustion region, openings are provided in the wall of the flame tube for the introduction of secondary air. Some of these openings are made up, sum-
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Additionally, through ordinary holes 15 distributed over the same circumference, while other openings 16 and 17 include guide vanes 16A and 17A for the air. The openings 16 are arranged in a circle and it has been found advantageous to orient their vanes 16A in the opposite direction with respect to the vanes 14. The vanes 17A are also arranged in a circle and axially spaced from the vanes 16A while being also directed in the opposite direction, that is to say in the same direction as the blades 14.
The last openings, provided downstream, are holes 18, slightly elongated, because it has been found that this shape is the most advantageous for the introduction of tertiary air into this region.
The flame tube, the open end of which 9 is supported in such a way that all movement is prevented except its axial movement due to rubbing, is supported at its closed end in various ways which can be used simultaneously or separately. In certain cases, it can be supported and maintained by the burner 4 or by any other tubular mounting of this burner, such as the sleeve 4A. It can also be supported by the spark plug, such as 19 and in the case where the combustion chamber does not include a spark plug, the latter can be replaced by a similar dummy member.
It may also be supported by a tubular member, which forms a bypass between the interior of the flame tube 8 and an adjacent flame tube and the like, housed in the adjacent combustion chamber. It can be seen that the bypass 20 is housed in the duct 7 and it can be supported therein by a perforated plate 21 interposed in an assembly joint of the duct 7.
The general shape of the blades is shown in fig. 3. The air passage, delimited by the blade, converges towards the flow. air and the room, constituting this vane, -7-
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is established mostly outside the bore of the flame tube. The internal and unique protrusion is inclined with respect to the direction of the gas vortex in the flame tube and is suitably cooled by the air stream passing through the vane. As a result, there is no risk of the part being damaged by combustion and that it can hardly promote the formation of significant local turbulence in the bore.
The vanes 14 differ from that shown in FIG. 3, by the fact that the air inlet is arranged in a slightly different way as clearly visible at 13 in fig. 2
It follows from the above that the flame tube can be fitted as one piece in combustion chamber 1 prior to final assembly and is sufficiently supported therein so that the chamber with its tube can be assembled as well as other parts. In general and as far as the flame tube itself is concerned, the closed end is considered to be the upstream end and the open end 9 the downstream end.
CLAIMS.
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