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"Perfectionnements apportés aux procédés et dispositifs pour refroidir les conduits pour des gaz à température élevéeo"
La présente invention est relative au refroidissement des con- duits ou chambres de combustion dans lesquels circulent des gaz à des tem- pératures élevées ;
et elle concerne plus spécialement, mais non exclusi- vement, les cas où la combustion doit être entretenue par un courant d'air ayant une vitesse et un.débit massif tels qu'il soit nécessaire, pour évi- ter l'extinction de la flamme, de protéger celle-ci par un écran contre le souffle direct du courant d'air et d'introduire l'air à des endroits successifs vers l'aval en créant ainsi une zone de combustion primaire et une ou plusieurs autres zones de combustion et/ou de mélangée
L'invention s'applique tout particulièrement aux cas où des pro- blèmes spéciaux se présentent pour pouvoir entretenir la combustion par un courant d'air qui se meut à une grande vitesse avec un débit massif impor- tant, comme par exemple dans le cas des turbines à gaz et/ou des appareils réacteurs.
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On entend par "grande-vitesse" que la vitesse moyenne du cou-
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:rQ;1'b ù'ìr ruivant Eln. direction dl éooulement générale 811 delà d'une zone de combustion et calculée par le rapport du volume d'air, passant par unité de temps, à la section transversale du passage réservé au courant, est notablement plus élevée que la vitesse à laquelle la flamme se pro- page dans le mélange combustible/air considéré. Pour des hydrocarbures, qui brûlent dans l'air, la vitesse de la propagation de la flamme est considérée comme étant de l'ordre de 30 cm par seconde à la température atmosphérique.
L'invention, par contre, s'applique plus particulièrement à des appareils de combustion pour des turbines à gaz et/ou des instal- lations motrices pour la propulsion par réaction, pour lesquels la vi- tesse du courant d'air, suivant la direction générale de son écoule- ment, au delà d'une zone de combustion et calculée sur la base susindi- quée, peut être aussi réduite que 3m et aussi élevée que 100m par se- conde et davantage, suivant le cas.
Dans ces cas, la combustion a généralement lieu dans une cham- bre de combustion ou un tube de flammes, qui se trouve dans une botte dans laquelle passe le courant d'air, le combustible étant injecté dans l'extrémité amont de la chambre et l'air étant admis depuis la boite dans la chambre de combustion en des endroits successifs vers l'aval.
Pour des raisons de légereté et de facilité de fabrication, il est avan- tageux de constituer la paroi de la chambre de combustion en t8le mais, à des températures élevées, les parois en tôle risquent d'être détruites rapidement. De plus, quand on se sert d'un combustible de mauvaise qualité, les dépôts de carbone sont à craindre.
L'invention a pour but d'éviter ces deux inconvénients. Elle se propose également de refroidir les parois des passages dans lesquels les gaz circulent (y compris certaines dea surfaces des aubages) pour des turbines à gaz et autres machines rotatives fonctionnant à une vitesse élevée, de réduire la transmission de la chaleur au stator et au rotor tout en permettant d'accroître la température du fluide actif et, par conséquent, le rendement.
L'invention a pour objet un procédé pour refroidir un conduit dans lequel circule un oodrant de gaz à température élevée et qui con-
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siste à introduire un courant d'air refroidisseur dans la zone du con- duit, qui est, la plus éloignée dans le sens radial, l'introduction de ayant lieu l'air à une vitesse et dans une direction qui correspondent suffisamment à celles du gaz chaud, passant dans ladite zone, pour que l'on obtienne ls formation d'une enveloppe dtair refroidisseur qui subsiste sous la.
for- me d'un courant séparé et sans remous entre le gaz chaud et la paroi du conduit sur une distance substantielle en aval de ladite zone,
De cette manière, on protège la paroi du conduit contre le cou-
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ran do gaz oht1.\1.dn par imo oouoho d'o.ir imolatito w6 rtlaL.vmnmt abcblv, le mode d'introduction précis de ce courant dépendant de la répartition des gaz transversalement par rapport au courant gazeux puisque la vites- se d'écoulement au delà d'un point dans la zone extérieure d'un courant gazeux peut être ouene pas être approximàtivement égale à la vitesse moyenne du courant, sur.
toute la section transversale du conduit en ce point suivant que le courant est ou n'est pas, au voisinage de ce point, en contact avec la paroi du conduit, ce qui a pour effet de former une ' couche limite relativement stagnante. Si, par exemple, le point se trouve à l'entrée et sur l'axe d'un courant gazeux pénétrant dans un conduit dont la section transversale est notablement plus grande que celle du courant, la vitesse dans la zone extérieure sera à peu près égale à la vitesse moyenne et, dans ce cas, on introduit l'air refroi- disseur dans la même direction et à la même vitesse que celles du cou- rant chaud entre celui-ci et la paroi du conduit.
D'autre part, si la point se. trouve dans la région d'une couche limite stagnante, dans la zone extérieure d'un courant de gaz chaud' et qui, dans cette région, est en contact avec la paroi du conduit, l'air refroidisseur doit être introduit à une vitesse réduite ou nulle suivant la direction d'écou- lement, l'agencement idéal étant celui,qui correspond plus ou moins à une diffusion à travers une paroi poreuse. -
Pour pouvoir conserver la couche isolante sur une distance considérable dans le sens de l'écoulement du courant gazeux, il est né- cessaire de compenser les pertes dues au mélange et à l'accroissement de la température qui augmentent avec la longueur du trajet suivi par les gaz.
A cet effet, on intuit de l'air refroidisseur additionnel,
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dans la zone du conduit, qui est la plus éloignée, dans le sens radial, en un ou plusieurs autres endroits qui se trouvent en aval de la zone susdite à une vitesse et dans une direction qui correspondent approxima- tivement à celles des gaz chauds aux endroits respectifs où se fait l'introduction pour que l'on obtienne la formation du prolongement de l'enveloppe en aval de l'endroit considéré, l'air pouvant être introduit en plusieurs endroits successifs et distincts ou d'une manière continue, plus ou moins uniforme, suivant le' trajet voulu.
Avantageusement, on donne au conduit une section transversale circulaire et on introduit l'air refroidisseur. par une entrée annulaire établie coaxialement dans ledit oonduit.
. D'autres entrées dtair sont établies, en aval de'l'entrée annu- laire. et elles peuvent également 'être annulaires ou elles peuvent être radiales tout en étant agencées de manière à empêcher la formation de cou- rants dtair bien définis et dont le pouvoir pénétrant, dans le sens transversal par rapport au courant d'air chaud, n'est pas substantiel.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, quelques modes de'réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, en coupe axiale, un mode de réalisation de l'invention.
Les figs. 2 et 3 montrent, respectivement en coupe axiale et en coupe transversale, une variante de ce mode de réalisation.
La fig. 4 montre, en coupe axiale, une autre variante.
La fig. 5 montre, semblablement, l'application de l'invention à une turbineo
Sur la fig. 1 un conduit 1, dans lequel circule un gaz à tempé- rature élevée et qui a la forme d'une chambre de combustion de section circulaire, est établi coaxialement dans une.boite à air 2 et ce conduit comprend un capuchon creux 3 dont l'extrémité plus grande et ouverte est orientée vers l'aval en formant, de pair avec le conduit 1, une en- trée annulaire 4 pour de l'air refroidisseur.
Le capuchon 3 entoure une zone de combustion primaire 5 dans laquelle le combustible est injecté par un brûleur 6 et la combustion est déclenchée par une bougie d'allumage 24.
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Le capuchon 3 est entouré d'une tuyère convergente 7 de forme tronconique.dont l'extrémité plus petite, orientée vers l'amont, est ouverte pour former une entrée 8. La paroi de la chambre 1 comporte un prolongement tubulaire la, oriente vers l'amont et qui entoure la tuyère 7 pour délimiter un orifice mesureur de débit, pour l'entrée de l'air primaire alors que le prolongementla forme, aveo la tuyère 7, un pas- sage pour l'admission d'air refroidisseur dans l'entrée 4.
La boîte 2 comprend également un.prolongement 2a, analogue au prolongement la et elle comporte une entrée 2b dans laquelle est admis un courant d'air qui se déplace rapidèment et débité, par exemple, par le compresseur d'une turbine à gaz. Ce courant d'air est subdivisé, par les prolongements la,. 2a et par la tuyère 1,en trois parties, une partie formant un courant annulaire d'air refroidisseur qui pénètre dans la chambre 1 par l'ouverture 4, une deuxième partie s'écoulant par l'inter- valle annulaire existant entre la boite 2 et le conduit 1, alors que la partie restante passe par le capuchon 3-jusque dans la zone de com- bustion primaire 5.
Les dimensions du capuchon 3, de l'entrée 4 et de la chambre 1
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sont telles que pour un fonctionnement'àim;r6gime d'ùtili'sat'ion,1 la vitesse de l'air à l'entrée 4 et celle des gaz chauds qui s'écoulent vers l'aval depuis la zone de combustion primaire 5, dans la' région de l'entrée 4, sont suffisamment correspondantes pour que les deux cou- rants puissent s'écouler,-sous forme de courants séparées,'jusqu'en un point qui se-trouve à une distance substantielle en aval' de l'entrée 4 de manière à conserver une enveloppe d'air frais, sous forme d'un courant séparé et sans remous, 'entre le courant de gaz chaud et la pa- roi interne de la chambre 1.
Comme les vitesses de ces deux courants ne peuvent pas correspondre pour une zone étendue des conditions de fonctionnement, on s'arrange, de préférence, pour que les vitesses soient égales aux conditions qui existent pour un fonctionnement à une tempéra- ture maximum puisque la disparition de la couche d'air de refroidissement à des températures plus basses peut généralement être acceptée.
-Le capuchon 3 forme l'écran stabilisateur de la flamme et qui est généralement utilisé dans ce cas et il comprend une entrée axiale 9
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pour de l'air primaire, cette entrée ayant des dimensions convenables pour permettre le passage du débit d'air nécessaire.
Le capuchon 3 peut également comporter des ailettes 10 produi- sant le tourbillonnement de l'air traversant l'entrée 9. Des ouvertu- res 11 et des fentes 12 circulaires peuvent également être ménagées dans la paroi du capuchon 3 pour l'admission d'air primaire supplémen- taire.
En aval du capuchon 3 on ménage dans la paroi de la chambre 1 des ouvertures 25 (qui peuvent également avoir la forme de tuyères ou de bouts de tubes) pour l'admission d'air supplémentaire depuis la boite 2 pour former une zone 17 dans laquelle la turbulence et le mé- lange on lieu.
Sur la fig. 1, le combustible est injecté en aval et coaxiale- ment dans la.chambre 1, mais suivant une variante le combustible peut être injecté.en amont, par exemple en adaptant convenablement le dispo- sitif faisant l'objet du brevet France No. 922.614.
Il est également,dans certains cas, possible de modifier l'en- semble du dispositif tel que décrit, en supprimant complètement le tube de flammes séparé ou la chambre interne, en aval de la chicane.
Il est désirable de refroidir la chambre 1 en aval du point où le courant d'air refroidisseur initial, passant par l'entrée 4, cesse d'être efficace car aux températures élevées l'effet refroidisseur de l'air additionnel, normalement introduit pour les phases ultérieures de la oombustion , peut être insuffisant.
De plus, toute turbulence ainsi produite favorisera l'échange de chaleur entre les gaz chauds et la paroi de la chambre et sera,' par conséquent, désavantageux., Pour cette raison, des courants additionnels d'ais refroidisseur peuvent être,prévus et qui sont similaires à celui dont question plus haut, ces couranta ayant, aux endroits où ils sont introduits dans la chambre 1, une vitesse comparable à celle qui existe dans la zone la plus éloignée, dans le sens radial, de la chambre en ces régions,,
Cet air refroidisseur additionnel peut être introduit par des entrées radiales,
disposées e agencées de manière que l'on évite la formation de courants d'air bien définis et qui ont un pouvoir pénétrant
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substantiel dans le sens transversal par rapport au courant de gaz chaud. De cette manière on obtient, sur la face interne de la paroi de la chambre, une couche d'air isolante, qui est relativement stable et non-turbulente, qui se mélange seulement lentement avec les gaz chauds à cause des vitesses différentes et par diffusion plutôt que par péné- tration transversaleo
A cet offot et comme montra sur la fig. l, la paroi de la cham- bro 1 pout comporter, en aval de la zone do mélange, un très grand nom- bre de petites ouvertures circulaires 13 ou un nombre relativement plus petit d' ouvertures 14, allongées dans le sens transversal.
Dans chaque cas, des moyens d'étranglement peuvent être prévus pour réduire le débit et la vitesse de l'air admis par ces ouvertures.
Sur la fig. 1, l'étranglement est obtenu par un registre annu- laire 26, convenablement perforé pour que le débit d'air voulu soit fourni en aval dudit registre, la totalité dudit courant pénétrant pro- gressivement vers l'aval dans la chambre 1.
Suivant une variante, la chambre 1 peut 'comporter, à proximité de son extrémité aval 29, une paroi en un treillis ou une tôle métalli- que ou en une matière poreuse, par exemple en métal fritté pour permettre une entrée, sensiblement uniforme, d'air refroidisseur par diffusion depuis la boîte 2 dans la chambre 1. .La chambre 1 et la botte 2 ont une section transversale qui va en diminuant.vers leurs extrémités aval afin que la section de l'intervalle annulaire entre leurs parois aille en décroissant progressivement, et que l'on conserve un débit uniforme de l'air dams cet intervalle.
Une autre disposition, pour fournir de l'air refroidisseur addi- tionnel en aval du capuchon 3, est montrée sur la fig. 2 et dans ce cas la chambre 1 comprend un ou plusieurs éléments tubulaires 1b, engagés télesopiquement les uns dans les autres et qui laissent subsister entr- eux, à leurs jonctions, des passages axiaux 27 pour l'entrée de l'air refroidisseur dans une direction parallèle au courant de gaz chaud.
Comme montré sur la fig. 3, une extrémité de chaque élément lb est ondulée et est attachée à l'élément adjacent, par exemple par soudure de leurs points de contacte
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Selon une autre variante, pour le refroidissement des parties aval d'une chambre de combustion, on a recours à une disposition pour laquelle le courant d'air est fourni d'abord en un endroit en aval de la partie la plus en amont à laquelle on veujr que l'air pénètre dans la chambre de combustion,après quoi ce courant est dirigé, en sens in- verse, le long de la face externe de la chambre de combustion pour refroi- dir cette face, l'air pouvant ensuite pénétrer dans la chambre de com- bustion pouf se mélanger aux gaz de combustion.
Une telle disposition est montrée sur la fig. 4, qui est analo- gue à la fig. 1 à l'exception qu'entre la boîte 2 et la chambre 1 est intèrcalé un écran annulaire 15 qui délimite, avec la paroi de la cham- bre 1, un intervalle annulaire 16 ouvert à son extrémité aval et fermé à son extrémité amont.
Au delà de cette extrémité aval, la boite 2 est fermée partiel- lement par une plaque 28' et par un registre annulaire et perforé 26, ana- logue à celui'de la fig. 1.
L'air s'écoule vers l'aval dans la boite 2 et, à cause de la présence des plaques 26 et 28, la direction d'une partie de cet air est inversée vers l'amont et dans l'intervalle 16, oet air pénétrant dans la chambre 1 par les ouvertures d'admission 25 pour former une zone de mé- lange 17 comme sur la fig. 1.
En aval de la zone de mélange, comme sur la fig. 1, la paroi de-la chambre 1 peut comporter de petits trous.circulaires 13 ou des ouvertures 14 allongées dans le sens transversal et on-peut également prévoir une sortie conique 29 de forme analogue à celle de l'extrémité aval de la boita 2. Suivant une variante, la chambre 1 peut comporter, dans la zone aval, une paroi en treillis ou toile métallique en une matière poreuse comme sur la fig. 1.
L'invention peut également être utilisée pour des passages pour des gaz chauds faisant partie d'un ensemble établi à l'extérieur de l'appareil de combustion proprement dit. La figo 5 montre l'application de l'invention à une turbine à gaz axiale 18, actionnée par les gaz chauds débités par une chambre de combustion 1.
Immédiatement en amont des ailettes de guidage 19 de la tuyère, sont prévues deux bagues co-
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axiales 20 et 21 dont l'ensemble forme une entrée d'air annulaireo Dans ces bagues sont ménagées'respectivement des ouvertures 22 et 23 pour l'introduction d'un courant d'air,en parallèle avec les gaz ac-, tifs et par lequel on crée une couche isolante qui subsiste sur une cer- taine longueur en aval de ces ouvertures, pour éviter la formation de courantsd'air qui ont un pouvoir pénétrant substantiel transversalement @ par rapport à l'axe de l'entrée annulaire.' De cette manière, on peut conserver sur les faces internes du passage formé entre le rotor 18 et le stator 19, des couches d'air refroidisseur sur la longueur voulue.
L'air refroidisseur's'écoule hors des chambres 30 et 31 respectivement par les ouvertures 22 et 23 et ces chambres peuvent être alimentées avec de l'air ou bien directement par le conduit de refoulement d'un compres- seur ou par une communication avec une boite à air 2 établie autour de la chambre de combustion la - REVENDICATIONS -
1.
Un procédé pour refroidir un conduit dans lequel circule' un courant de gaz à température élevée et qui consiste à introduire un courant d'air refroidisseur dans la zone du conduit, qui est la plus ' éloignée dans le sens radiale l'introduction de l'air ayant lieu à une vitesse et dans 'une direction-qui,correspondent suffisamment à celles du gaz chaud, passant dans ladite zone, pour que l'obtienne la formation d'une enveloppe d'air refroidisseur qui subsiste sous la forme d'un courant séparé et sans remous entre le gaz chaud et la paroi du conduit sur une distance substantielle en aval de ladite zone.