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Moteur à turbine à gaz.
Cette invention concerne les moteurs thermiques, et plus particulièrement les moteurs à turbine à gaz.
Le moteur à turbine à gaz conventionnel comprend trois section : une section compresseur, une section commbustion et une section turbine. Dans la section compresseur, de l'énergie ciné- tique est impartie à un courant d'air et ensuite transformée dans un diffuseur en énergie potentielle, mesurée par l'augmentation de la pression statique dans le compresseur. La section combustion reçoit l'air comprimé du compresseur et augmente sa température en brûlant du combustible, idéalement à une pressionconstante.
Le pro.luit chauffé de la section combustion est ensuite détendu à travers une tuyère d'injection jusqu'à la section turbine où il opère de façon à mouvoir la roue de turbine. La présente inven- tion concerne principalement la section combustion mais elle se
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distingue par des avantages et des éléments qui influentsur les trois sections du moteur. Certains seront décrits avant deux formes d'exé- cution de l'invention, décrites en détail pour illustrer sa struc- ture fondamentale.
Les critères principaux de la performance de la section combustion comprennent la combustion complète, une perte de pres- sion minimum, l'absence de dépôts, l'allumage rapide et sûr, le réglage de la température et la distribution de la vélocité à l'entrée de la turbine, la sécurité générale et l'endurance. Dans certaines applications, par exemple l'emploi en tant que force mo- trice d'un avion, le volume, le poids et le faible encombrement sont également des facteurs critiques. Un but principal de la pré- sente invention est de prévoir une disposition intérieure de la section combustion qui en augmente la compacité et a un volume et un poids réduits en comparaison avec des moteurs à turbine à gaz antérieurs. Par la suite, on verra que l'invention comprend aussi des ' % apparentés affectant les autres critères.
Le réglage de la température à l'entrée de la turbine et le faible encombrement du moteur sont des facteurs difficiles à concilier. Une chaleur de combustion élevée est souhaitée dans la zone de la combustion primaire mais avant d'arriver à l'entrée de la turbine, les produits de la combustion doivent subir une baisse de température rapide de crainte qu'ils endommagent les ailettes de la turbine. Pour assurer cette chute de température, il faut un chemin d'une longueur considérable entre la zone primaire de combustion et l'entrée de la turbine c'es-à-dire la tuyère à gaz, en même temps qu'un moyen pour refroidir les produits de combustion.
Pour atteindre l'effet optimum, le chemin pris par les produits de combustion et l'action produite par le moyen de refroidissement ci-dessus ne doivent en aucune manière avoir pour résultat une perte appréciable d'énergie ni,avoir aucune tendance à étouffer la flamme sortant de la zone primaire de com-
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bustion. Il est important aussi qu'aucune surchauffe locale ait lieu. Il est concevable que ces- facteurs ne soient pas satisfaits facilement par une section combustion compacte. Un autre but im- portant de l'invention est donc de réaliser ces résultats dans une section combustion extrêmement compacte.
Une section turbine conventionnelle dans un moteur à turbine à gaz peut utiliser, soit une turbine axiale, soit une turbine radiale. Cette dernière est susceptible d'utiliser une plus haute pression que la première pour une série unique d'ailet- tes mobiles et est donc sauvent plus simple à utiliser. Cependant son emploi a été largement limité aux petits moteurs, en raison des problèmes de traitement de l'écoulement, et il a été sévère- ment limité dans les applications aux avions à cause de la diffi- culté d'incorporer la longueur nécessaire de chemin d'écoulement et le moyen de refroidissement sans augmenter excessivement le diamètre et/ou la longueur du moteur.
Encore un autre but de l'in- vention est de prévoir un agencement de combustion extrêmement compact pouvant être utilisé avec une roue de turbine à alimenta- tion axiale ou radiale, mais utilisé de préférence avec l'alimen- tation radiale.
Les produits de combustion sont, bien entendue largement gazeux. La technique normale de refroidissement des gaz est de ré- server une partie de l'écoulement d'air comprimé pour l'introduire dans les gaz en des points intermédiaires entre la zone @e combus- tion primaire et l'entrée de la turbine. Cette réserve d'air est normalement appelée l'air secondaire et pour être efficace, doit être uniformément et complètement mélangée avec les gaz sans créer une turbulence exagérée. En outre, la présente invention emploie cette technique de refroidissement dans le but de mélanger l'air . secondaire avec les gaz de combustion dans une section combustion extrêmement compacte et de poids réduit, qui évite ou minimise les pertes d'énergie résultant de la turbulence induite au cours du mélange.
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D'autres buts ainsi que des buts apparentés comprennent la réalisation d'une section combustion qui puisse être alimentée ' par un écoulement d'air comprimé divisé entre plusieurs tuyaux dif- fuseurs la reliant à la section compresseur et qui soit susceptible d'être fabriquée facilement à bas prix de revient, avec brûleurs emboutisou coulés susceptibles d'être facilement démontés indivi- duellement du moteur pour révision ou remplacement, et qui soient montés sans serrage de façon à tenir compte du refroidissement et de la dilatation ainsi que de la contraction thermiques à l'usage.
Les brûleurs conventionnels ont normalement une forme tubulaire. Une extrémité du tube est utilisée comme zone de réac- tion ou de combustion primaire et elle est ordinairement munie d'un dôme déflecteur pour établir une zone de recirculation afin d'aider à stabiliser la réaction et promouvoir le mélange entre le combustible, l'air comprimé, et les gaz brûlés. L'autre extré- mité du tube est ouverte et sert à la décharge des produits de combustion. Le tube est entouré d'une enveloppe espacée de façon à laisser autour du tube un passage annulaire servant, non seule- ment à séparer de l'air total, l'air primaire requis pour la zone de combustion, mais aussi à prévoir une couche mobile d'air secon- daire qui règle la température du tube.
L'air secondaire est admis progressivement à travers des trous ou des fentes dans le tube et, ordinairement, une petite ouverture est prévue entre l'extrémité d'échappement du tube et l'enveloppe pour fournir une couche d'air frais pour la contraction finale jusqu'à l'entrée de la tuyère d'injection adjacente à cette extrémité.
Cette forme typique de brûleur à tube cylindrique entou- ré d'une chemise d'air est ordinairement dite du type "can". Ce terme peut être appliqué à une simple chambre annulaire, ainsi qu'à plusieurs de ces tubes réunis dans une chemise annulaire commune. Le premier type est normalement appelé "can" annulaire et il est muni de multiples injecteurs de combustible disposés
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en cercle. Le second est appelé "cannulaire 'La présente invention concerne la forme cannulaire dans laquelle les brûleurs tubulaires sont formés, montés et orientés individuellement à l'intérieur d'une chambre à pression annulaire remplie d'air comprimé disposée autour de la tuyère d'injection et munie d'un chenal annulaire situé autour de sa périphérie interne.
Les brûleurs sont espacés en relation angu- laire autour du chenal, avec leurs extrémités d'échappement ou- vertes agencées de façon à se décharger dans le chenal suivant des tangentes à une première série de points situés dans le che-' nal à des intervalles angulaires autour de la tuyère, une série de buses d'air de refroidissement étant formées dans les espaces entre les brûleurs, dont les ouvertures de décharge s'ouvrent dans le chenal suivant des tangentes à une seconde série de points alternant dans le chenal avec la première série de points. Les décharges des brûleurs et des buses d'air ont une direction de rotation commune autour du chenal et coopèrent ainsi pour for- mer dans le chenal un tourbillon annulaire de gaz à basse tempé- rature animé d'un mouvement tourbillonnant autour de la tuyère.
Ce mouvement tourbillonnant donne aux gaz de combustion une oc- casion supplémentaire de se mélanger à l'air de refroidissement secondaire dans le chenal avant que le mélange résultant passe dans la tuyère pour agir sur la roue de turbine. La longueur du chemin des brûleurs tubulaires peut être considérablement rac- courcie grâce à celà et le nombre de trous ou de fentes pour le passage d'air à travers leurs parois peut être réduit ou éliminé puisqu'il n'y a aucun intérêt particulier à avoir un grand effet de refroidissement à l'intérieur des brûleurs eux-mêmes.
En ou- tre, les brûleurs peuvent être cintrés en arc sur leur longueur de façon à mieux se prêter à une disposition très compacte dans la chambre ce qui, à son tour, a pour effet de réduire le dia- mètre de la chambre et, par suite, de réduire l'encombrement du
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moteur lui-même. Il est envisagé aussi que la tuyère d'injection puisse fonctionner comme une tuyère continue, c'est-à-dire sans les aubes ou ailettes fixes habituelles.
Une forme particulièrement satisfaisante, qui sera il- lustrée, comporte des brûleurs cintrés montés dans'les espaces triangulaires entre le chenal et les tangentes suivant les quel- les ils se déchargent dans le chenaol, l'extrémité d'échappement ouverte de chaque brûleur étant insérée dans le ménisque entre le chenal et le brûleur suivant dans le sens de rotation du tour- billon. Cette forme offre encore certaines particularités qui la rendent facilement accessible pour l'entretien, sans grand démontage du moteur.
Dans les dessins annexés
Figure 1 est une coupe longitudinale fragmentaire des .sections combustion et turbine d'un moteur à turbine à gaz com- portant une alimentation radiale ;
Figure 2 représente en coupe radiale suivant la ligne
2-2 de la Figure 1 la moitié supérieure du moteur, avec certains brûleurs montrés en élévation et d'autres en coupe ;
Figure 3 représente en coupe, à plus grande échelle la moitié supérieure de la section combustion de la figure 1 ;
Figure 4 représente une vue isométrique d'un des brû- leurs tubulaire ;
Figure 5 montre des coupes d'un brûleur tubulaire, fai- tes suivant les lignes A-A, B-B,.C-C, D-D, et E-E de la Figure 2,et
Figure 6 est une'vue du même genre que la Figure 3, mais- où la turbine est à alimentation axiale.
Le moteur de la Figure 1 comporte une section compres- seur Cp, une section combustion Cb, et une section turbine Tb, comportant deux étages Tl et T2. Les sections compresseur et turbine sont largement conventionnelles et il suffira d'indiquer que l'air comprimé débité dans les tuyaux.2 du diffuseur par com-
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presseur est conduit par chacun des tuyaux à une chambre de pres- sion 4 disposée annulairement autour de la roue 6, du premier étage de turbine Tl, La chambre 4 est délimitée extérieurement par une bâche annulaire 8 entourent le carter de la turbine et boulonnée au bâti 10 du moteur en des points axialement en amont et en aval de la roue de turbine 6.
Si on le désire, la bâche peut être prolongée en arrière autour de la tuyère d'éjectrion 12 pour supporter le réducteur de vitesse en aval du second étage de tur- bine T2. Ceci allongerait la chambre et se prêterait à un meil- leur aérodynamisme du moteur ainsi qu'à la disposition d'un sys- tème de refroidissement par huile de la tuyère d'éjection des gaz.
Mais, dans la forme d'exécution illustrée, la bâche est attachée en avant de la tuyère d'éjection des gaz et elle comporte des pa- rois inclinées 8' qui donnent à la c'ambre de pression une section trapézoïdale autour du carter 14 de la turbine.
Selon l'invention, l'extrémité arrière de chaque diffu- seur 2 se termine par un chapeau 16 possédant une jupe 16' autour de son ouverture orientée radialement vers l'intérieur. Les cha- peaux 16 couvrent les orifices 18 espacés à angles égaux autour de la circonférence de la bâche de la chambre, et coiffent des rebords 18' des orifices, chaque chapeau étant fixé sur son ori- fixe par une bague 20. Outre qu'ils conduisent l'air comprimé à la chambre 4, les chapeaux d'orifice 16 servent aussi de support pour les dômes de brûleur 22, du type conventionnel pour faire tourbilloner l'air, et pour les allumeurs de combustible 24 du type conventionnel à bougies ou l'équivalent, insérés et atta- chés dans les trous s'opposant diamétriquement 26 dans les parois inclinées 16" des chapeaux.
Les trous 26 coïncident avec le plan radial 2-2 de la roue de turbine 6 et présentent les têtes arrondies des injecteurs de combustible 22' des dômes et les fa- ces chaudes 24' des bougies à l'intérieur de la chambre au long des cordes qui se croisent dans le plan à 90 à peu près.
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Une coupe 'radiale de la moitié supérieure, faite sui- vant ce plan, est représentée sur la Figure 2. En regardant les Figures 1 et 2 ensemble, on peut voir que la roue de turbine 6 est munie d'une série d'ailettes amovibles 6' exposées radiale- ment vers l'extérieur ddu carter de la turbine à une tuyère d'in- jection annulaire 28 servant d'accès à la turbine Tl depuis la chambre. La tuyère d'injection s'ouvre sur un chenal annulaire 30, fixée dans une position coaxiale autour de la roue, en coïn- cidence avec le plan radial, et dont les parois 30' s'évasent axialement vers l'avant et l'arrière de sorte qu'il est consi- dérablement plus large que la tuyère d'injection 28 et revêt, en coupe transversale, une configuration de bassin.
Le chenal 30 sert de collecteur pour une série de brûleurstubulaires en for- me de limaçons 32, qui sont placés autour de lui dans la chambre.
, Cette configuration d'un brûleur tubulaire est visi- bles sur les Figures 4 et 5. En substance, la coquille 34 se dis- tingue par une section tête bulbeuse 36 et une section corps évasée latéralement et arquée longitudinalement en 38. La bou- che 40 de sa section tête converge en un museau à lèvres 42 ve- nant s'engager avec jeu sur la tête d'injecteur 22' d'un des dômes, tandis que la queue ouverte 44 de sa section corps peut glisser avec jeu entre les parois 30' du chenal. Entre les deux, la section de la coquille s'aplatit progressivement dans le plan vertical et s'élargit dans le plan horizontal tandis que, vers l'arrière, son axe longitudinal est graduellement cintré dans la direction ventrale (voir les coupes transversales de la fi- gure 5).
A noter aussi que la queue de la section corps est tron- quée dans un plan pratiquement parallèle à l'axe dans la section tête, afin que la queue ait ainsi une embouchure en forme d'écope 46 s'ouvrant dans le sens ventral.
La coquille possèdeaissi deux couronnes de perforations 48 autour de sa taille et trois raccords 50, 52, 54 sur ses parois
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dorsale et ventrale 34' et 34". Deux des raccords, 50 et 52, sont placés de façon à télescoper l'un dans l'autre, chaque fois en- tre deux brûleurs, et sont si'tués sur la longueur de la coquille pour déboucher dans sa section tête 36 dans un cas, et dans la section corps 38 dans l'autre, le premier se trouvant dans la pa- roi ventrale 34" de la coquille et le second dans sa paroi dorsa- le 34'.
Le troisième raccord 54 est situé également dans la paroi dorsale, mais de façon à déboucher dans la section tête 36 où il peut recevoir la tête d'un des allumeurs de combustible.
Lors du montage, on suspend chaque brûleur 32 à un cha- 'peau 16 en engageant préalablement son museau 42 sur le dôme 22 du chapeau et en insérant ensuite l'allumeur 24 du chapeau dans son raccord de tête dorsal 54. Ensuite, le brûleur est inséré dans la chambre d'une façon relativement tangente au chenal jus- qu'à ce que les parois latérales de sa queue reposent sur une pai- re d'épaulements 56 longeant les parois 30' du chenal. A cause de la longueur du brûleur, le chapeau vient reposer sur le bord 18' de l'orifice à peu près en même temps. La fixation du chapeau à l'orifice sert alors non seulement à Clore l'orifice mais aussi à monter le brûleur dans l'orientation souhaitée.
Lorsque chaque brûleur est successivement introduit dans la chambre, sonraccord de corps.dorsal 52 est enfilé sur le raccord de tête ventral 50 du brûleur voisin précédemment introduit, de façon que les deux brûleurs soient reliés entre eux par leurs raccords.
La moitié supérieure de l'ensemble du montage fini est vue, sur la Figure 2. On notera que quoique les brûleurs soient bien supportés en place dans la chambre, ils ne s'emboîtent entre eux qu'avec jeu aux raccords 50,52 ainsi qu'avec les dômes, les allumeurs de combustible et le chenal. Par conséquent, le maxi- mum de surface des brûleurs est exposé à l'action, refroidissante de l'air secondaire et il y a suffisamment de jeu entre toutes les
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surfaces d'accouplement pour permettre la contraction .et la dila- tation dues aux tensions thermiques.
Il est à noter aussi que l'emboîtement télescopique libre réalisé entre les raccords 50,
52 est tel que n'importe quel brûleur peut être enlevé de l'in- térieur du dispositif en levant son chapeau d'orifice d'abord légèrement en sens inverse des aiguilles d'une montre sur la Fi- gure 2, pour dégager son raccord de tête ventral 50, et ensuite tangentiellement vers l'extérieur par rapport à la chambre pour que son raccord de corps ventral se dégage du précédent brûleur en sens inverse des aiguilles d'une montre.
On décrira maintenant le fonctionnement de la section combustion. Chaque tête de brûleur devient une chambre de combus- tion pour la réaction primaire, l'air pour celle-ci étant admis à travers le dôme à turbulence adjacent et l'intervalle entre le dôme et le museau du brûleur, et possède une composante tangen- tielle suffisante pour produire une rétro-circulation en. forme de tore des produ ts de la combustion primaire. En aval de la réac- tion primaire, les produits de combustion sont contraints de sui- vre le tracé curviligne du corps de brûleur et, sont ensuite étalés en un large courant laminaire s'arquant tangentiellement vers un point Pl à la périphérie du chenal 30. Lorsque le courant d'air prend sa forme laminaire dans la taille du corps, l'air frais secondaire qui entre à travers les perforations 48 y est insufflé.
Cependant une action de refroidissement plus significa- tive a lieu à l'embouchure 46 de la queue du corps. Dans cette disposition chacun des brûleurs définit en effet un ménisque 58 entre sa paroi ventrale et la périphérie du chenal. La queue du brûleur voisin dans le sens horlogique est insérée dans ce ménis- que mais à cause de l'intervalle entre les chapeaux, sa queue ne vient pas contre le premier brûleur et, par suite, un espace con- vergent concavoconvexe formant une buse 60 subsiste entre la paroi ventrale de l'un et la paroi dorsale de l'autre. La fente rectan-
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gulaire 61 entre les bords de fuite des parois des brûleurs consti- tue la sortie de la buse.
Comme les corps des .brûleurs, les buses 60 s'arquent tangentiellement vers des points P2 à la périphérie du chenal, mais ces points sont angulairement intermédiaires en- tre les points de tangence des brûleurs. Par conséquent, une série de décharges inclinées différemment des brûleurs et des buses qui alternent ont lieu dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour du chenal. Les décharges des buses intersectent les déchar- ges des brûleurs, ce qui amène les deux décharges à s'entremêler et à prendre une composante tournant en sens inverse des aiguil- les d'une montre autour du chenal. Elles continuent à se mélanger en tournant dans ce sens et les décharges combinées font alors par- tie d'un tourbillon annulaire de gaz à basse température se mouvant en sens inverse des aiguilles d'une montre autour de la tuyère d'in-: jection.
Cette tuyère d'injection est à son tour équipée d'aubes ou ailettes fixes 62 orientées toutes de même pour diriger le tour- billon intérieurement vers les ailettes mobiles de la roue de tur- bine. Comparées à celles des tuyères d'injection antérieures, les aubes fixes de la présente tuyère sont considérablement raccourcies et leur fonction principale est de diviser le tourbillon annulaire en de nombreux jets, la bonne direction étant donnée aux jets par le tourbillon annulaire. Comme indiqué auparavant, il est envisagé d'omettre les aubes fixes dans certaines applications.
En cas d'extinction dans un des brûleurs, la pression di- minuant dans sa zone primaire induira un allumage d'intercommunica- tion à travers les raccords 50,52 de la zone de mélange secondaire à haute pression du brûleur suivant.
' La disposition décrite peut être adaptée aisément à un moteur à turbine axiale en utilisant un chenal 64 dont la buse d'in- jection 66 décharge latéralement au chenal comme on le voit à la Figure 6. Cette variante fonctionne de la même manière que la turbine radiale décrite, mais avec une efficacité légèrement réduite à eau-
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des pertes dues au changement de direction. Pour cette raison, la turbine radiale est préférée actuellement.
Le chenal et la buse d'injection dans chaque cas peu- vent être coulés d'une pièce ou bien être des pièces séparées.
De même, chacun des brûleurs peut être coulé d'une pièce ou fait de deux pièces embouties légèrement imbriquées et soudées sur les côtés, comme le montrent les dessins.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux for- mes d'exécution décrites et représentées à titre d'exemple et on ne sortirait pas de son cadre en v apportant des modifica- tions.
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Gas turbine engine.
This invention relates to heat engines, and more particularly to gas turbine engines.
The conventional gas turbine engine has three sections: a compressor section, a commbustion section and a turbine section. In the compressor section, kinetic energy is imparted to an air stream and then transformed in a diffuser into potential energy, measured by the increase in static pressure in the compressor. The combustion section receives compressed air from the compressor and increases its temperature by burning fuel, ideally at constant pressure.
The heated product from the combustion section is then expanded through an injection nozzle to the turbine section where it operates to move the turbine wheel. The present invention relates mainly to the combustion section but it is
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distinguished by advantages and elements that influence the three sections of the engine. Some will be described before two embodiments of the invention, described in detail to illustrate its basic structure.
The main criteria for the performance of the combustion section include complete combustion, minimum pressure loss, absence of deposits, fast and safe ignition, temperature control and distribution of velocity to the turbine entry, general safety and endurance. In some applications, for example use as the driving force of an aircraft, volume, weight and small footprint are also critical factors. A main object of the present invention is to provide an interior arrangement of the combustion section which increases its compactness and has a reduced volume and weight compared with prior gas turbine engines. In the following, it will be seen that the invention also includes related '% affecting the other criteria.
The temperature control at the inlet of the turbine and the small size of the engine are factors that are difficult to reconcile. High heat of combustion is desired in the primary combustion zone but before reaching the turbine inlet the combustion products must undergo a rapid temperature drop lest they damage the turbine fins. . To ensure this temperature drop, a path of considerable length is required between the primary combustion zone and the inlet of the turbine, that is to say the gas nozzle, at the same time as a means for cooling. combustion products.
To achieve the optimum effect, the path taken by the combustion products and the action produced by the above cooling means must not in any way result in an appreciable loss of energy nor, have any tendency to smother the combustion. flame coming out of the primary control zone
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bustion. It is also important that no local overheating takes place. It is conceivable that these factors are not easily satisfied by a compact combustion section. Another important object of the invention is therefore to achieve these results in an extremely compact combustion section.
A conventional turbine section in a gas turbine engine can use either an axial turbine or a radial turbine. The latter is likely to use a higher pressure than the former for a single set of movable fins and is therefore simpler to use. However, its use has been largely limited to small engines, due to flow handling problems, and it has been severely limited in aircraft applications because of the difficulty of incorporating the necessary length of path. flow and cooling medium without excessively increasing the diameter and / or length of the motor.
Yet another object of the invention is to provide an extremely compact combustion arrangement which can be used with an axially or radially fed turbine wheel, but preferably used with the radial feed.
The products of combustion are, of course, largely gaseous. The normal gas cooling technique is to reserve part of the compressed air flow for introduction into the gases at intermediate points between the primary combustion zone and the turbine inlet. This reserve of air is normally referred to as secondary air and to be effective it must be evenly and completely mixed with the gases without creating excessive turbulence. Further, the present invention employs this cooling technique for the purpose of mixing air. secondary with the combustion gases in an extremely compact and low weight combustion section, which avoids or minimizes the energy losses resulting from the turbulence induced during mixing.
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Other and related objects include providing a combustion section which can be supplied by a flow of compressed air divided between a plurality of diffuser pipes connecting it to the compressor section and which is capable of being manufactured. easily at low cost, with stamped or cast burners which can easily be individually removed from the engine for overhaul or replacement, and which are mounted loosely to allow for cooling and thermal expansion as well as contraction in use.
Conventional burners normally have a tubular shape. One end of the tube is used as a reaction or primary combustion zone and is ordinarily provided with a deflector dome to establish a recirculation zone to help stabilize the reaction and promote mixing between the fuel, the fuel. compressed air, and flue gases. The other end of the tube is open and serves for the discharge of combustion products. The tube is surrounded by a casing spaced so as to leave around the tube an annular passage serving not only to separate from the total air the primary air required for the combustion zone, but also to provide a layer. secondary air mobile which regulates the temperature of the tube.
Secondary air is gradually admitted through holes or slits in the tube, and usually a small opening is provided between the exhaust end of the tube and the casing to provide a layer of cool air for contraction. final until the inlet of the injection nozzle adjacent to this end.
This typical form of burner with a cylindrical tube surrounded by an air jacket is commonly referred to as the "can" type. This term can be applied to a single annular chamber, as well as to several of these tubes united in a common annular jacket. The first type is normally called an annular "can" and it has multiple fuel injectors arranged
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in a circle. The second is called "cannular" The present invention relates to the cannular shape in which the tubular burners are individually formed, mounted and oriented within an annular pressure chamber filled with compressed air disposed around the injection nozzle. and provided with an annular channel located around its internal periphery.
The burners are spaced angularly about the channel, with their open exhaust ends arranged to discharge into the channel along tangents to a first series of points in the channel at intervals. angular around the nozzle, a series of cooling air nozzles being formed in the spaces between the burners, the discharge openings of which open into the channel at tangents to a second series of points alternating in the channel with the first set of points. The discharges from the burners and the air nozzles have a common direction of rotation around the channel and thus cooperate to form in the channel an annular vortex of low temperature gas animated in a swirling motion around the nozzle.
This swirling motion gives the combustion gases an additional opportunity to mix with the secondary cooling air in the channel before the resulting mixture passes through the nozzle to act on the turbine wheel. The path length of tube burners can be considerably shortened by this and the number of holes or slits for the passage of air through their walls can be reduced or eliminated since there is no particular interest in have a great cooling effect inside the burners themselves.
In addition, the burners can be arched along their length so as to better lend themselves to a very compact arrangement in the chamber which, in turn, has the effect of reducing the diameter of the chamber and, consequently, to reduce the bulk of the
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engine itself. It is also envisioned that the injection nozzle can function as a continuous nozzle, that is to say without the usual fixed vanes or vanes.
A particularly satisfactory form, which will be illustrated, comprises curved burners mounted in the triangular spaces between the channel and the tangents along which they discharge into the chenaol, the open exhaust end of each burner being inserted in the meniscus between the channel and the next burner in the direction of rotation of the vortex. This shape still offers certain peculiarities which make it easily accessible for maintenance, without major dismantling of the engine.
In the accompanying drawings
Figure 1 is a fragmentary longitudinal section of the combustion and turbine sections of a gas turbine engine having a radial feed;
Figure 2 shows in radial section along the line
2-2 of Figure 1 the upper half of the engine, with some burners shown in elevation and others in section;
Figure 3 shows in section, on a larger scale, the upper half of the combustion section of Figure 1;
Figure 4 shows an isometric view of one of the tubular burners;
Figure 5 shows cross-sections of a tubular burner, taken along lines A-A, B-B, .C-C, D-D, and E-E of Figure 2, and
Figure 6 is a view of the same kind as Figure 3, but where the turbine is axially fed.
The engine of FIG. 1 comprises a compressor section Cp, a combustion section Cb, and a turbine section Tb, comprising two stages T1 and T2. The compressor and turbine sections are largely conventional and it will suffice to indicate that the compressed air supplied to the pipes. 2 of the diffuser by com-
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presser is driven by each of the pipes to a pressure chamber 4 disposed annularly around the impeller 6, of the first turbine stage T1, The chamber 4 is delimited on the outside by an annular cover 8 surrounding the casing of the turbine and bolted to the engine frame 10 at points axially upstream and downstream of the turbine wheel 6.
If desired, the tarpaulin can be extended back around the ejector nozzle 12 to support the speed reducer downstream of the second turbine stage T2. This would lengthen the chamber and lend itself to better engine aerodynamics as well as to the provision of an oil cooling system for the gas ejection nozzle.
But, in the illustrated embodiment, the tarpaulin is attached in front of the gas ejection nozzle and has inclined walls 8 'which give the pressure chamber a trapezoidal section around the casing 14. of the turbine.
According to the invention, the rear end of each diffuser 2 ends in a cap 16 having a skirt 16 'around its opening oriented radially inward. The caps 16 cover the orifices 18 spaced at equal angles around the circumference of the chamber cover, and cover the flanges 18 'of the orifices, each cap being fixed to its fixed opening by a ring 20. In addition to that they conduct the compressed air to chamber 4, the orifice caps 16 also serve as a support for the burner domes 22, of the conventional type to whirl the air, and for the fuel igniters 24 of the conventional candle type or the like, inserted and fastened into the diametrically opposed holes 26 in the inclined walls 16 "of the caps.
The holes 26 coincide with the radial plane 2-2 of the turbine wheel 6 and present the rounded heads of the fuel injectors 22 'of the domes and the hot faces 24' of the spark plugs inside the chamber along the sides. strings that cross in the plane at approximately 90.
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A radial section of the upper half, taken along this plane, is shown in Figure 2. Looking at Figures 1 and 2 together, it can be seen that the turbine wheel 6 is provided with a series of vanes. removable 6 'exposed radially outwardly from the turbine housing to an annular injection nozzle 28 serving as access to the turbine T1 from the chamber. The injection nozzle opens onto an annular channel 30, fixed in a coaxial position around the wheel, in coincidence with the radial plane, and the walls 30 'of which widen axially towards the front and the rear. rear so that it is considerably wider than the injection nozzle 28 and has, in cross section, a basin configuration.
Channel 30 serves as a manifold for a series of snail-shaped tube burners 32, which are placed around it in the chamber.
This configuration of a tubular burner can be seen in Figures 4 and 5. In essence, the shell 34 is distinguished by a bulbous head section 36 and a laterally flared and longitudinally arched body section 38. che 40 of its head section converges into a lip muzzle 42 which engages with play on the injector head 22 'of one of the domes, while the open tail 44 of its body section can slide with play between the walls 30 'of the channel. In between, the section of the shell progressively flattens in the vertical plane and widens in the horizontal plane while, towards the rear, its longitudinal axis is gradually arched in the ventral direction (see the cross sections of the figure 5).
Note also that the tail of the body section is truncated in a plane substantially parallel to the axis in the head section, so that the tail thus has a scoop-shaped mouth 46 opening ventrally.
The shell has two crowns of perforations 48 around its waist and three fittings 50, 52, 54 on its walls
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dorsal and ventral 34 'and 34 ". Two of the connectors, 50 and 52, are placed so as to telescope one into the other, each time between two burners, and are located along the length of the shell to open into its head section 36 in one case, and into the body section 38 in the other, the first being in the ventral wall 34 "of the shell and the second in its back wall 34 '.
The third connector 54 is also located in the back wall, but so as to open into the head section 36 where it can receive the head of one of the fuel igniters.
During assembly, each burner 32 is suspended from a cap 16 by first engaging its muzzle 42 on the dome 22 of the cap and then inserting the igniter 24 of the cap into its dorsal head connector 54. Next, the burner is inserted into the chamber relatively tangential to the channel until the sidewalls of its tail rest on a pair of shoulders 56 running along the walls 30 'of the channel. Because of the length of the burner, the cap comes to rest on the edge 18 'of the orifice at about the same time. Attaching the cap to the orifice then serves not only to close the orifice but also to mount the burner in the desired orientation.
When each burner is successively introduced into the chamber, sonraccord de corps.dorsal 52 is threaded onto the ventral head connector 50 of the neighboring burner previously introduced, so that the two burners are interconnected by their fittings.
The top half of the finished assembly is seen in Figure 2. Note that although the burners are well supported in place in the chamber, they only fit together with clearance at fittings 50,52 as well. than with domes, fuel igniters and channel. Therefore, the maximum surface area of the burners is exposed to the cooling action of the secondary air and there is sufficient clearance between all the
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mating surfaces to allow contraction and expansion due to thermal stresses.
It should also be noted that the free telescopic interlocking made between the connectors 50,
52 is such that any burner can be removed from inside the device by lifting its orifice cap first slightly counterclockwise in Figure 2, to release its ventral head connector 50, and then tangentially outward with respect to the chamber so that its ventral body connector disengages from the previous burner in an anti-clockwise direction.
The operation of the combustion section will now be described. Each burner head becomes a combustion chamber for the primary reaction, the air for this being admitted through the adjacent swirl dome and the gap between the dome and the burner muzzle, and has a tangen component. - tial sufficient to produce a back-circulation in. toroid shape of the primary combustion products. Downstream of the primary reaction, the combustion products are forced to follow the curvilinear course of the burner body and are then spread in a large laminar stream tangentially arching to a point P1 at the periphery of the channel 30. As the air stream takes its laminar form across the waistline, secondary cool air which enters through the perforations 48 is blown into it.
However, a more significant cooling action takes place at the mouth 46 of the tail of the body. In this arrangement, each of the burners in fact defines a meniscus 58 between its ventral wall and the periphery of the channel. The tail of the neighboring burner in the clockwise direction is inserted into this meniscus but because of the gap between the caps, its tail does not come against the first burner and, consequently, a concavoconvex converging space forming a nozzle 60 remains between the ventral wall of one and the dorsal wall of the other. The rectan-
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gular 61 between the trailing edges of the walls of the burners constitutes the outlet of the nozzle.
Like the bodies of the burners, the nozzles 60 arc tangentially towards points P2 at the periphery of the channel, but these points are angularly intermediate between the points of tangency of the burners. As a result, a series of differently angled discharges of the burners and alternating nozzles take place counterclockwise around the channel. The discharges from the nozzles intersect the discharges from the burners, causing the two discharges to intermingle and take on a component rotating counterclockwise around the channel. They continue to mix while rotating in this direction and the combined discharges then form part of an annular vortex of low temperature gas moving counterclockwise around the injection nozzle. .
This injection nozzle is in turn equipped with fixed vanes or vanes 62 all oriented in the same way to direct the vortex internally towards the movable vanes of the turbine wheel. Compared to those of previous injection nozzles, the fixed vanes of the present nozzle are considerably shortened and their main function is to divide the annular vortex into many jets, the correct direction being given to the jets by the annular vortex. As indicated previously, it is envisaged to omit the fixed vanes in certain applications.
In the event of an extinction in one of the burners, the decreasing pressure in its primary zone will induce an inter-communication ignition through the fittings 50,52 of the high pressure secondary mixing zone of the following burner.
The arrangement described can be easily adapted to an axial turbine engine by using a channel 64, the injection nozzle 66 of which discharges laterally to the channel as seen in Figure 6. This variation operates in the same manner as the channel. radial turbine described, but with slightly reduced efficiency at water-
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losses due to change of direction. For this reason, the radial turbine is currently preferred.
The channel and the injection nozzle in each case can be cast in one piece or be separate pieces.
Likewise, each of the burners can be cast in one piece or made of two stamped pieces that are slightly interlocking and welded on the sides, as shown in the drawings.
Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown by way of example and it would not be departing from its scope to make modifications.