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BRULEUR.
La présente invention est relative à des perfectionnements,chan- gements et additions à celle faisant l'objet du brevet principal et denses deux perfectionnements et se rapporte aux brûleurs pour combustibles liquides ou gazeux, en particulier aux détails de la disposition du fond qui forme la paroi terminale du cylindre constituant la-chambre de combustion proprement dite.
Dans les chambres de combustion à grande puissance, construites récemment pour la production efficace de gaz chauds produisant de la force motrice, comme dans le cas des centrales à turbines à gaz, Inexpérience a mon- tré que les parois en tôle métallique mince qui définissent la véritable cham- bre de combustion, sont les éléments qui nécessitent le plus fréquemment d'ê- tre examinés,réparés ou remplacés,
La première condition pour un tel appareil ests bien entendu, que la circulation de l'air de combustion vers la chambre de combustion soit exac- tement celle qui est nécessaire pour que la combustion se produise dans les bonnes conditions désiréeso Une fois que le cylindre qui constitue les parois latérales de la chambre de combustion,
et que le fond de cette chambre ont êté calculés pour obtenir les caractéristiques désirées de combustion, les cousin dérations les plus importantes visent la réalisation mécanique appropriée, permettant les dilatations thermiques relatives qui se produisent pendant le fonctionnement, pour éviter la création de tensions mécaniques locales inter- nes qui tendraient à créer des défauts dans le métal; il faut également as- surer un refroidissement efficace et uniforme pour éviter les points chauds et les tensions mécaniques résultantes;
il faut en outre créer une couche re- froidissante et isolante d'air pur sur la surface intérieure de la chambre et du fond de celle-ci, afin d'éviter le dépôt de particules de combustible carbonisé'. il est quelquefois très difficile de prévoir une construction qui
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tienne compte efficacement de toutes ces nécessites,-parfois contradictoi- res entre elles. Le but de la présente invention est de prévoir un fond perfectionné pour la chambre de combustion, qui s'est révélé avoir des ca- ractéristiques remarquables au point de vue de la durée de service utile, et de son fonctionnement parfait.
Le fond de la chambre, selon l'invention, peut servir en parti- culier dans la chambre de combustion revendiquée par la Société Demanderes- se dans le brevet principal et ses perfectionnements et plus particulière- ment dans le second perfectionnement au brevet principal.
L'invention sera d'ailleurs bien comprise en se reportant à la description qui suit et au dessin qui l'accompagne à titre d'exemple non limitatif et dans lequel - la figure 1 représente schématiquement une partie d'une instal- lation de turbine à gaz, montrant la disposition relative du fond de la cham- bre de combustion par rapport aux autres éléments - la figure 2 est une coupe, en détail, de ce fond.
- la figure 3 en est une vue par l'arrière.
- la figure 4 en est une vue frontale, suivant plan 4-4 de la fi- gure 2.
- la figure 5 est une coupe, en détail, d'une variante de forme du segment circulaire extérieur.
- la figure 6 est une vue prise dans la direction 6-6 de la fi-
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'gure 5 - Le fond de la chambre de combustion, conforme à l'invention, consiste, d'une manière générale.1 en un certain nombre de segments circulaires,, maintenus ensemble par des supports spéciaux, et disposés, les uns par rapport aux autres, de manière à ménager entre eux des orifices circulaires continus, pour diriger une couche isolante et refroidissante d'air de combustion, sur les surfaces internes des divers segments. Des moyens spéciaux de refroidis- sement sont prévus sur la partie circonférentielle du fond de la chambre, qui est ordinairement la plus sujette à s'échauffer à l'excès.
.En se reportant figure 1, on voit que ce fond est monté dans le système de combustion d'une installation de turbine à gaz, dans laquelle un compresseur 1, de tout type approprié, envoie de l'air à une pression conve- nable, par exemple 5,25 Kg/cm2, vers un brûleur 3, à travers une conduite 2, assurant la répartition de cet air. La chambre comporte une paroi ou envelop- pe, extérieure.4, convenablement espacée d'une paroi intérieure 5, qui défi- nit la chambre., de combustion proprement dite. Cette paroi intérieure peut être supportée par la paroi extérieure 4, par tous moyens appropriés, par exem- ple, au moyen de supports annulaires élastiques 6.
Le fond de la chambre de combustion est représenté dans son ensemble par la référence 7, et comprend un capot extérieur 8 qui entoure, à une certaine distance, le fond proprement dit 9 de la. chambre, constitué de plusieurs segments.
Pour introduire du liquide finement pulvérisé dans le fond de la chambre de combustion, on prévoit une tuyère 10, qui peut être de tout type approprié. Bien entendu, si l'on utilise des combustibles gazeux, on emploie- ra également les types connus appropriés de tuyères, Comme on le voit figure 1, cette tuyère est fixée au moyen d'un bossage 10 a, formant partie intégran- te de la paroi extérieure 4, et elle dirige un jet conique de combustible pul- vérisé vers l'extrémité de la chambre. Pour allumer le mélange d'air et de combustible, on fixe une bougie 4 a, ou tout dispositif équivalent, à la pa- roi extérieure 4; cette bougie traverse le capot 8 et le segment médian du fond 9 de la chambre de combustion,de manière que les électrodes ménagent entre elles un espace situé approximativement dans le jet conique de combus- tible.
Bien entendu, cette bougie peut être fixée autrement, et l'on peut, si on le désire, utiliser d'autres types d'appareils d'allumage.
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Un combustible approprié est amené à la tuyère par une conduite llo Si la tuyère 10 est du type à '?air pulvérisé", de l'air est fourni à la pression appropriée par une conduite 12, afin de pulvériser le combustible.
Les détails exacts de construction du compresseur, de la paroi interne de la chambre de combustion et des autres éléments de la figure 1 ne sont pas essentiels pour la compréhension de la présente invention. Toutefois, il est à remarquer qu'une caractéristique importante de la chambre de combus- tion décrite dans le 2d.
perfectionnement au Brevet principal réside dans le fait que lé fluide combustible est injecté à travers des rangées circulaires d'orifices 13, 14, avec une pression et une vitesse telles qu'il forme de pe- tits jets puissants qui se maintiennent tout le long de l'axe de 'la paroi 5, et des jets en sens diamétralement opposés, se rencontrant sur ledit axe et revenant en arrière vers le capot 8, cette circulation en sens inverse étant représentée par les flèches 15 de la circulation d'airo
Le fond 9 de la chambre de combustion, qui fait principalement l'objet de la présente invention, est représentée schématiquement figure 1; ses détails en sont montrés à l'échelle agrandie dans les figures 2 à 4.
La figure 2 représente une coupe longitudinale,faite par l'axe du capot et du fond de la chambrée
Le capot 8 a une forme générale hémisphérique; il est en tôle métallique relativement minqe., de l'ordre de 2,4 mms d'épaisseurestampée ou conformée de toute autre manière. A son extrémité arrière, à gauche sur la figure, le capot 8 comporte une ouverture centrale 8 a, qui coopère avec le fond de la chambre de combustion, pour former une arrivée cylindrique d'air, comme on le décrira en détail ci-après. A sa partie circulaire avant extérieure, le capot 8 peut être soudée ou fixé de toute autre manière, à la partie voisine de la paroi 5 a du cylindre intérieur 5 de la chambre.
Le fond 9 de la chambre de combustion, composée de divers segments, est supporté coaxialement avec le capot, au moyen de plusieurs goujons radiaux 16, distribués sur une circonférence, et qui peuvent être rivés, ou soudés, ou fixés de toute manière appropriée au bord du capot 80 Les goujons 16 pé- nètrent librement dans des trous ménagés à cet effet dans le segment extérieur - 9a du fond de la chambre.
Ce fond est composé de trois segments 9a, 9b, 9c, en forme de troncs de c8nes de révolutions d'angles au sommet différents. Leur ensemble définit une chambre primaire sensiblement hémisphérique, de mélange et de combustion,
Conformément à la présente invention, ces segments sont fixés les uns aux autres au moyen de plusieurs pinces, en forme d'U, réparties sur des circonférences, et représentées en 17 et 18, figure 2. La figure 3 en montre une vue en piano Du coté amont, c'est-à-dire du côté tourné vers la gauche de la figure 2, chaque pince est munie de plusieurs ouvertures 17 a, 18a, per- mettant l'arrivée d'air de refroidissement; on y reviendra en détail ci-après.
Le côté amont des pinces peut être soudé par points, ou fixés de toute autre manière, directement au segment voisin, le côté aval des pinces est fixé aux anneaux 19, 20 en utilisant une branche de l'U de ces pinces, qui est fixée aux bagues 19, 20, lesquelles entourent complètement les segments 9a et 9b, respectivement; ces bagues servent de déflecteurs pour diriger la circulation de l'air de refroidissement, comme on le décrira ci-après plus en détailo La partie centrale du segment terminal 9c comporte une ouverture centrale é- vasée 9d pouvant glisser librement sur l'extrémité cylindrique de la tuyère 10.
Comme le segment terminal extérieur 9 a correspond à la partie- du fond du brûleur qui se révélait auparavant comme soumise aux effets calo- rifiques les plus intenses aux points chauds, ayant une courte durée de fonctionnement à cause de la brûlure du métal, des moyens aérodynamiques par- ticuliers sont prévus pour protéger et refroidir ce segmente Ces moyens 'sont constitués par ur volet circulaire 21,soudé en 22 à l'arête arrière du segment extérieur 9a.
La partie avant (vers la droite de la figure) du vo- let 21 est munie de plusieurs encoches 23,réparties sur sa circonférence;
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leurs intervalles constituent des languettes 24 qui sont légèrement repliées vers l'extérieur, de manière à se trouver sensiblement parallèles à la paroi du segment 9a. Cette dernière paroi comporte des ouvertures 25, réparties sur sa circonférence, et coopérant respectivement avec les languettes 24 (fi- gure 4). On voit par exemple,sur cette figure. que trois ouvertures 25 coo- pèrent avec chaque languette 24.
Voici comment se fait la circulation de l'air à travers les divers éléments du capot et du fond de la chambre de combustion, et autour de ces éléments. Tout d'abord, il y a lieu de remarquer que la forme prise par le jet de liquide est celle d'un cône de révolution creux 26, ayant même axe que le fond de la chambre., comme représenté en trait mixte figure 20
Comme on peut le voir, la tuyère est choisie pour que l'angle au sommet du cône ne soit pas supérieur à 900, et que ce cône se trouve ainsi sensiblement espacé du volet circulaire 21.
Pendant le fonctionnement., cet angle au sommet du cône 26 varie quelque peu, par suite des variations, dues aux vitesses diverses de circula- tion de l'air, qui influent sur ce cône
En particulier, la circulation en sens inverse de 1-'air, comme indiqué par les flèches 15 des figures 1 et 2, a tendance à augmenter l'an- gle au sommet du cône? et à rapprocher ce cône du volet circulaire 21.
Na- turellement, cette tendance augmente, si l'intensité du courant d'air inver- se augmenteo D'autre part, les ouvertures d'arrivée d'air, spécialement prévues dans le fond de la chambre de combustion, produisent une autre cir- culation en sens inverse 'à l'extérieur du cône 26, qui a tendance à diminuer l'angle au sommet du cône, comme on va le décrire ci-dessous. Ces deux cir- culations inversées d'air de combustion qui se produisent à l'intérieur et à l'extérieur du cône 26, ont donc des tendances opposées, de telle sorte que, normalement., ce cône 26 n'est pas en contact direct avec le volet circulaire 21.
La circulation de l'air de combustion se fait de la façon sui- vante à travers le fond de la chambre et la tuyère. L'air provenant du compresseur 1 arrive sur le fond à grande vitesse, dans une direction pres- que axiale, et avec une uniformité aussi grande que le permettent les aubes directrices la, situées dans la conduite d'arrivée 2 (figure 1).
Une condition avantageuse est que l'air entre par l'ouverture 8a du capot 8 dans une direction aussi axiale que possible et avec une uni- formité aussi parfaite qu'il est possible de l'obtenir sur toute la circon- férence du capote Cet air pénètre dans le capot et rencontre presque inmé- diatement la bague circulaire 20, qui fait-saillie sur le segment médian 9 b, elle dévie donc une partie de l'air d'un angle voisin de 180 , comme indiqté par la flèche, figure 2.
On remarquera que la circonférence extérieure du segment extrême 9c a un diamètre un peu supérieur à celui de l'arête de gauche du segment médian 9 b, et que les pinces 18 supportent ces deux. arêtes à -une certaine distance l'une de l'qutre,de manière à ménager une ouverture circulaire d'arrivée d'air 28.
L'arête gauche du segment médian 9b coopère avec la bague 20, de manière à constituer un déflecteur annulaire incurvé pour ce courant d'air 27. Celui-ci constitue une sorte de mince souche d'air qui circule le long de la surface interne du segment terminal 9c, de manière à le refroidir et à l'isoler de tout contact avec des particules de combustible partiellement brûlées.
La forme des pièces et l'alimentation de l'air vers le capot sont telles que cette couche d'air de balayage intérieur 27 circule vers l'extré- mité de sortie de la tuyère, et se trouve ensuite dirigée au contact de la surface extérieure du cône 26 de combestible pulvérisé, 9 comme indiqué par la flèche 29. '
En refroidissant le segment 9c, et en raison des radiations des flammes de la chambre de combustion, cet air 27, 29 se trouve préchauffé, de manière sensible, au moment où il vient en contact avec le cône 26 de com- bustible,,
de telle sorte qu'il vaporise facilement- les particules de ce com-
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bustible et se mélange à elleso Cette action a des effets très favorables sur les caractéristiques de combustion de l'appareil.
En observant la figure 2, on voit aussitôt que l'arête circulai- re externe du segment 9b est espacée radialement de l'arête voisine gauche adjacente du segment 9 a, de telle sorte qu'en liaison avec la bague circu- laire 19, on ménage une ouverture circulaire qui donne finalement naissance à une circulation d'air en sens inverse, comme indiqué par la flèche 300 Cet air balaye la surface interne du segment 9b, le refroidit et y empêche le dépôt de carbone.
Le but des petites ouvertures 17a, 18a, dans les pinces 17,18 est de réduire et même d'empêcher toute discontinuité dans les jets d'air 27 ou 30, comme cela pourrait se produire du fait même de la présence de ces pinces
Les ouvertures 25 ménagées dans le segment extérieur 9a servent à refroidir les languettes 24 du volet circulaire 21, en produisant une cou- che circulaire d'air de refroidissement et d'isolement pour la surface inter- ne du segment 9a, comme indiqué par la flèche 31, figure 2.
On remarquera que plusieurs moyens sont prévus pour permettre la dilatation respective des divers éléments, sous Inaction de la chaleur, afin qu'il ne s'y produise pas de tensions mécaniques internes dangereuses. Tout d'abord, on a eu l'idée fondamentale de diviser le fond quasi hémisphérique de la chambre de combustion en trois segments séparés par des pinces élastiques, permettant la dilatation et la contraction relatives des segments 9a et médian 9b l'un par rapport à l'autre, et par rapport au segment central beaucoup plus froid 9c.
En outre les encoches 23 permettent à la moitié de droite du vo- let circulaire 21, qui est l'élément le plus exposé au contact des gaz en com- bustion, de.se dilater ou de se -'contracter par rapport à la moitié gauche de ce volet, qui est fixé rigidement au segment 9a, sans qu'il se crée de forces différentielles de dilatation qui auraient tendance à briser les soudures ou à déformer les éléments circulaires.
Pour faciliter la libre dilatation d.ifférentielle de la moitié gauche du volet 21, on peut fendre le segment extérieur 9a depuis la soudure 22 jusqu'au trou central de chacun des groupes de trous 250 Une telle fente est représentée en 25b, figure 4. Une telle fente peut être pratiquée à cha- que groupe de trous 250 Ceci permet la dilatation du volet 21, sans exercer d'efforts dangereux sur la soudure 22.
De même, ce volet 21 constitue un écran protecteur entre la flam- me dans la chambre de combustion et une partie importante du segment 9a, ce qui protège contre l'arrivée de particules de combustible, et permet de fomer une couche d'air isolante 31 qui augmente la protection de ce segment 9a.
On voit donc que la partie la plus exposée du fond de la chambre est protégée par divers moyens. Comme on l'a vu ci-dessus, les goujons de . support 16 permettent au segment 9a de se dilater et de se contracter libre- ment, par rapport au capot 8 qui le supporteo
On peut remarquer quelques points complémentaires., au sujet de la liaison entre le capot 8 et le fond 9.
L'ouverture centrale 8a du capot est d'une dimension telle qu'el- le constitue un passage circulaire de.entrée, qui ne laisse passer que la quan- tité exacte d'air nécessaire pour produire les jets efficaces, qui formeront finalement le cène 26, décrit plus haut. Comme le savent les techniciens, une arrivée trop faible d'air dans le capot entraînera la formation de jets qui n'auront pas assez de force pour produire le jet final représenté par le cône 26; par contre, un excès d'air peut produire un refroidissement exces- sif dans la chambre primaire de mélange et de combustion, dans le fond de la chambre, ou des mélanges d'air et de combustible trop pauvres pour atteindre les caractéristiques d'une bonne combustion.
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On doit donc dimensionner l'ouverture 8a du capot de manière à obtenir exactement la circulation appropriée d'air,compte tenu du nombre et des dimensions des divers orifices et de la tuyère, dans le fond de la cham- bre. En outre,une fois que l'air est entré entre le capot et les divers seg- ments, la section effective de ce passage doit être calculée de façon que la vitesse de l'air le long des surfaces extérieures des segments 9b, 9a, soit suffisante pour en assurer le refroidissement efficace.
Enfin, on peut remarquer qu'une certaine partie de l'air qui pé- nètre dans le capot est dirigée à travers l'ouverture circulaire ménagée ent re l'arête circulaire de droite du segment, 9a et la surface interne adjacente de la paroi cylindrique 5a, de manière à former une couche d'air de refroidisse- ment et d'isolement, comme indiqué par la flèche 32, figure 2.
Cette nouvelle construction, selon l'invention, du fond de la cham- bre de combustion a procuré des améliorations remarquables dans le refroidis- sement des divers éléments, et, en particulier, autour du segment 9a. En ou- tre, on a pu introduire une même quantité d'air de refroidissement, et même une plus grande quantité, par rapport aux constructions antérieures, sans af- fecter défavorablement la forme voulue de la circulation de l'air dans le fond de la chambre. On a ainsi obtenu un meilleur refroidissement des éléments de ce fond, avec des caractéristiques de combustion semblables et mêmes amélio- rées.
C'est ainsi que les fentes annulaires continues, formant les jets d'air 27 et 30, produisent une circulation inverse plus puissante d'air, inté- rieurement, en direction de la tuyère d'alimentation en combustible, comme on le voit par la flèche 29 de la figure 2; cette circulation inverse tend à refermer le cône de combustible 26, de manière que des particules de combus- tible ne viennent pas en contact avec les éléments du.fond de la chambre.
On peut aussi rendre plus puissante la circulation en sens inver- se de l'air, représentée, par les flèches 15, afin d'obtenir de bonnes carac- téristiques de combustion, sans causer une ouverture du cône 26, qui amènerait les flammes à lécher directement le segment 9a.
On peut se rendre compte de l'amélioration considérable obtenue au moyen de la présente invention, en remarquant que les chambres de combus- tion de construction ancienne avaient une durée utile de moins de cent heu- res, sans réparations ou remplacement, alors que les fonds des chambres de combustion, conformes à l'invention, ont fonctionné dans des centrales à tur- bines à gaz pendant cinq cents heures, sans difficulté.
Bien entendu, les techniciens comprendront que des variantes di- verses peuvent être apportées dans la réalisation mécanique des éléments.
Par exemple, on peut modifier la forme du volet circulaire 21, de la figure 2. Les figures 5 et 6 en montrent une variante.
Dans cette variante, au lieu d'avoir une bague annulaire continue, on peut obtenir un fonctionnement analogue par plusieurs échancrures 25a, dis- posées à une certaine distance les unes des autres sur une même circonférence et découpées dans le segment 9a. Chacune de ces échancrures est faite à la place d'un jeu de trois ouvertures 25, figure 4,,
Au lieu d'un seul volet circulaire 21, on pourrait prévoir plusieurs plaques déflectrices séparées, chaque plaque déflectrice étant associée à cha- cune des échancrures 25a.
Comme on le voit figure 5, chaque déflecteur 21 a a une coupe en forme de Z, dont la partie extérieure est soudée par points ou fixée de toute autre manière, à la surface extérieure du segment 9a, et dont la branche terminale du Z est plane et parallèle à la surface interne du seg- ment 9a. De cette manière, l'air circulant à travers l'échancrure 25 a forme une couche mince sur cette surface interne du segment 9a, cette couche corres= pondant à celle représentée par la flèche 31 de la figure 2.
Bien que l'on ait décrit plusieurs variantes de réalisation de l'in- vention, il est bien entendu que l'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données simplement à titre d'exemple, et sans aucun caractère
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