Chambre de combustion pour turbine à gaz La présente invention est relative à une chambre de combustion destinée à équiper une turbine à gaz.
On sait qu'actuellement l'amélioration du rendement thermique constitue l'une des principales conditions limi tant le développement des turbines à gaz, notamment sur des véhicules automobiles.
La présente invention a pour but de réaliser une chambre de combustion susceptible d'améliorer notable ment le rendement thermique d'une turbine à gaz, cette chambre de combustion pouvant s'adapter sur divers types de générateurs de gaz.
La chambre de combustion pour turbine à gaz objet de l'invention, comprend deux enveloppes concentriques en tôle où l'air admis et les gaz refoulés circulent à contre-courant, l'enveloppe extérieure étant fermée à son sommet pour recevoir un gicleur central unique entouré d'un vortex et destiné à injecter un combustible liquide pulvérisé dans l'enveloppe intérieure qui comporte une zone renflée puis une paroi munie d'ouvertures d'admis sion d'air secondaire et de fentes d'air de refroidissement entourées d'un déflecteur, elle est caractérisée en ce que le vortex comporte des aubages radiaux fixés au fond de l'enveloppe extérieure, tandis que la zone renflée se trouve en aval du brûleur,
lequel est entouré par une paroi cylindrique de plus faible diamètre que la zone ren flée, alors qu'enfin des perforations d'air primaire sont percées dans la partie divergente et dans la partie cylin drique de la zone renflée.
Suivant un mode de réalisation préféré, on prévoit un nombre impair de lumières d'air secondaire, et un nombre également impair de fentes pour le mélange de l'air de refroidissement. Cette disposition permet de ne pas opposer les flux gazeux sur un même diamètre de l'enveloppe intérieure en tôle.
Pour certaines applications particulières, et notam ment si l'on désire équiper une turbine à gaz possédant la structure d'ensemble décrite dans le brevet No 511366 déposé le 25 juin 1969 au nom de la titulaire, société ano nyme : Bennes Marrel , il est avantageux de jumeler deux chambres de combustion selon l'invention. Ces deux chambres étant montées côte à côte, parallèlement l'une à l'autre, on assure leur équilibrage au moyen d'une canalisation de by-pass reliant les zones renflées des deux enveloppes intérieures.
Par ailleurs, on dispose les deux chambres de combustion dans un même plan transversal par rapport à l'axe général de la turbine, et on les fait déboucher dans une chambre commune entourant l'axe des rotors et d'où les gaz s'écoulent ensuite axialement à travers les aubages fixes d'un distributeur qui les dirige sur la roue haute pression.
Dans une forme d'exécution particulière de l'inven tion, chaque chambre de combustion est équipée d'une bougie d'allumage escamotable. Cette bougie peut notamment être placée sur un côté de la zone renflée de l'enveloppe intérieure. Un ressort de rappel maintient la bougie sortie quand la turbine est au repos, alors qu'une pression d'air antagoniste escamote automatiquement cette bougie dès que la turbine commence à tourner. Cette pression d'air est préférablement prélevée au niveau du compresseur.
Enfin, pour assurer un allumage plus rapide au démarrage, et pour favoriser l'amorçage de la pompe à combustible, on effectue l'alimentation du gicleur en combustible liquide, à partir d'un clapet commandé par une électrovanne, ce clapet permettant de diriger, soit vers le gicleur, soit vers une canalisation de retour, le combustible qu'il reçoit en permanence d'une canalisa tion constamment maintenue sous pression. Cette dispo sition permet notamment d'éviter la présence de tout matelas d'air en amont du gicleur pendant la phase du fonctionnement comprise entre le début du lancement de la machine et l'allumage de la chambre, allumage qui est provoqué par le déplacement précité du clapet. Celui-ci conserve sa position dès que la chambre est alimentée en combustible, et quel que soit le régime de la machine.
Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limi tatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention La fig. 1 est une vue éclatée indiquant schématique ment la position de deux chambres de combustion selon l'invention sur le corps d'une turbine à gaz de camion.
La fig. 2 est une coupe partielle suivant II-II de la fig. 4.
La fig. 3 est une coupe axiale suivant III-III de la fig. 6 montrant la disposition d'une bougie escamotable. La fig. 4 est une coupe transversale de la turbine sui vant IV-IV de la fig. 1.
La fig. 5 montre à grande échelle le détail de l'injec teur illustré sur les fig. 2 et 3.
La fig. 6 est une coupe partielle suivant VI-VI de la fig. 3.
On a représenté sur la fig. 1 la partie 1 d'une turbine à gaz qui, dans le bloc d'ensemble, constitue le généra teur de gaz. Ce générateur comprend notamment des organes qui ont été très schématisés sur la fig. 1, à savoir une roue 2 de compresseur centrifuge, deux chambres de combustion 3, et une roue de turbine à haute pression 4. Le compresseur 2 souffle de l'air dans les chambres 3 d'où ressortent des gaz chauds et sous pression qui pro voquent la rotation de la roue haute pression 4. En aval de la roue 4, la turbine peut comporter divers organes connus, notamment un ou plusieurs distributeurs et une roue de turbine à basse pression.
Dans le cas d'une turbine à gaz destinée à équiper un véhicule automobile, il est avantageux d'utiliser la dis position montrée sur les dessins, c'est-à-dire de monter parallèlement côte à côte deux chambres de combustion 3 situées dans un même plan transversal par rapport à la direction 5 définie par l'arbre 6 de la turbine.
Chaque chambre de combustion 3 comprend deux enveloppes concentriques en tôle, à savoir une enveloppe extérieure 7 et une enveloppe intérieure 8 (fig. 4).
Chaque enveloppe extérieure 7 est fixée directement sur le carter 9 du groupe générateur qui définit autour de l'axe 6 de la turbine, un collecteur annulaire 10 recevant l'air soufflé par le compresseur 2.
L'enveloppe extérieure 7 est fermée à son sommet par un fond tronconique 11 sur lequel est fixé un injecteur de combustible 12. Cet injecteur comprend un gicleur 13 dont il sera question plus loin en détail.
L'enveloppe intérieure en tôle 8 entoure par son som met 14, le gicleur 13 d'injection du combustible. En aval de ce sommet 14, l'enveloppe 8 comporte un divergent tronconique 15, puis une zone renflée cylindrique 16, et un convergent tronconique 17 au-delà duquel elle se pro longe par un long divergent 18. L'extrémité de ce diver gent a la forme d'un manchon cylindrique 19 qui assure le raccordement de la chambre de combustion avec un collecteur 20 d'où les gaz brûlés sont envoyés concentri quement autour de l'axe 6, dans un distributeur haute pression 21.
Sur les fig. 2 et 3, on a représenté schématiquement l'enveloppe intérieure 8 dont tous les détails apparaissent seulement sur la fig. 4.
Le sommet 14 de l'enveloppe intérieure 8 comprend des aubages fixes profilés 22 qui sont disposés autour du gicleur 13, de façon à constituer un vortex pour la mise en rotation de l'air. Par contre, pour éviter que des tourbillons ne se forment au moment où l'écoulement d'air change de direction (flèche 23), des nervures radiales 24 sont réparties autour du sommet 14 et fixées au fond 11 et à la paroi 7 de l'enveloppe extérieure 3.
Immédiatement en aval du vortex 22, la portion divergente 13 est percée de deux séries de trous 25 de petit diamètre. Par exemple si le diamètre total 26 d'une chambre de combustion 3 est de l'ordre de 130 mil limètres, on peut percer la zone tronconique 15 de deux séries groupant chacune douze trous 25 d'un diamètre de trois millimètres.
De même, la zone renflée 16 est percée d'un grand nombre de petits trous. Toujours pour les mêmes don nées numériques (diamètre 26 de l'ordre de 130 mil limètres), la zone renflée 16 peut comporter deux séries 27 groupant chacune trente-deux trous d'un diamètre de quatre millimètres, placées de part et d'autre d'une série centrale 28 formée de seize trous d'un diamètre de quatre millimètres.
Par contre, la portion convergente 17 est percée d'un nombre impair de larges ouvertures dans chacune des quelles on soude un tronçon tubulaire 29 orienté vers le haut en direction de l'axe de la chambre 3. Par exemple, on peut choisir sept lumières ou tubes 29 d'un diamètre de l'ordre de quatorze millimètres, répartis autour de l'axe 30 de la chambre.
Immédiatement en aval de la zone convergente 17, on prévoit enfin sur la partie divergente 18, une série de trous 31 qui peuvent être par exemple au nombre de vingt pour un diamètre unitaire de trois millimètres.
A son extrémité, immédiatement avant le manchon cylindrique 19, la zone divergente 18 est découpée sui vant de larges fentes 32 réparties autour de l'axe 30. Ces fentes 32 sont préférablement en nombre impair, de façon à ne pas opposer les flux gazeux sur un même dia mètre. Dans l'exemple numérique déjà cité, ces fentes peuvent être au nombre de sept et comporter chacune une largeur 33 d'une vingtaine de millimètres, pour une hauteur 34 voisine de cinquante millimètres.
Bien entendu, les chiffres précédents qui concernent le nombre et le dimensionnement des divers orifices d'arrivée d'air, n'ont été donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs et ils pourraient être modifiés à volonté.
Enfin, autour des fentes 32 de la zone divergente 18, on place un déflecteur tronconique 35 qui va s'évasant en direction du fond 11 de la chambre 3, et qui est fixé sur le collecteur 20 au niveau du manchon cylindrique 19.
Pour stabiliser le courant des gaz chauds produits par les deux chambres de combustion 3, et surtout pour assurer leur réallumage mutuel, on relie les zones renflées 16 des enveloppes intérieures 8 au moyen d'une canalisation de by-pass 36 munie en son milieu d'un soufflet de dilatation 37. Par exemple, si la flamme de l'une des chambres vient à être soufflée momentanément lors d'un régime transitoire, le réallumage se trouve réalisé automatiquement à partir de l'autre chambre restée en service.
On a représenté sur la fig. 5 le détail de l'injecteur 12 d'une chambre de combustion. Cet injecteur comprend une bobine d'électrovanne 38 susceptible de soulever un clapet 39. Quand l'électrovanne 38 n'est pas sous tension, le clapet 39 est en appui sur un siège fixe 40 qu'il obture, empêchant ainsi le gicleur 13 de recevoir le combustible liquide maintenu sous pression dans une canalisation d'alimentation 41. Ce combustible liquide circule alors à travers des annelures longitudinales 42 dont est munie la paroi de guidage du clapet -39, et il s'échappe par une canalisation de retour 43 (flèche 44).
Au contraire, si l'on excite la bobine 38, le clapet 39 se soulève et il vient prendre appui par son sommet sur un siège fixe 45 tandis qu'il démasque le siège 40. Par conséquent, la canalisation de retour 43 se trouve bou chée alors qu'au contraire le gicleur 13 est alimenté par le combustible de la canalisation 41.
On voit que ce dispositif d'injecteur 12 comporte un clapet 39 qui fonctionne uniquement par tout ou rien, c'est-à-dire en étant ouvert ou fermé. La régulation du débit de combustible injecté dans la chambre 3 par le gicleur 13 s'effectue par les organes de commande et de régulation non représentés de la turbine.
Pour compléter une chambre de combustion 3, on fixe à son enveloppe extérieure 7 le support 46 d'une bougie d'allumage escamotable 47. Lorsque celle-ci est à la position de travail 47a (fig. 6) elle débouche dans l'enveloppe interne 8 au niveau de la zone renflée 16.
Cette bougie d'allumage comporte à la manière habi tuelle deux électrodes non représentées entre lesquelles on peut faire jaillir une série d'étincelles électriques à haute tension. Dans le cas décrit, la bougie 47 est soli daire d'un piston 48 qui coulisse à l'intérieur d'un cylindre du support 46. Ce cylindre se trouve ainsi par tagé en deux chambres dont l'une contient un ressort de rappel 49 tendant à repousser la bougie dans la posi tion 47a, l'autre chambre 50 communique avec l'inté rieur de la chambre. En fonctionnement, la pression régnant dans la chambre de combustion s'exerce sur le diamètre de la tige 47, et cela suffit à repousser l'ensemble mobile dans la position escamotée 47b.
Au repos, la pression fournie par le compresseur 2 dans la chambre 50 étant nulle, le ressort 49 maintient la bougie à la position de travail 47a. Dès que la turbine commence à tourner, la pression dans la chambre de combustion augmente. Au régime de ralenti de la tur bine, elle est suffisante pour comprimer le ressort 49 et escamoter la bougie à la position 47b. Ensuite, la pres sion dans la chambre de combustion ne cesse d'augmenter pour atteindre sa limite supérieure quand la turbine est à pleine charge. Pendant tout ce temps, la bougie 47 reste escamotée (position 47b).
Le fonctionnement d'une chambre de combustion 3 est le suivant L'air provenant du collecteur 10 circule entre les enveloppes 7 et 8 comme indiqué par les flèches 51 (fig. 4). Le déflecteur 35 empêche cet air de venir frapper directement les sept fentes 32.
Parvenu au voisinage du fond 11, l'écoulement d'air change de direction (flèches 23) et il pénètre dans le vor tex 22 où il est mis en rotation de façon à favoriser la pulvérisation du combustible liquide assurée par le gicleur 13. A ce mélange vient s'ajouter à l'intérieur de la zone renflée 16, un débit d'air primaire qui a pénétré dans l'enveloppe interne 8 à travers les séries de petits trous 25, 27 et 28.
Dans la zone où le fuel brûle, les larges ouvertures 29 assurent une rentrée d'air secondaire pour parfaire l'homogénéité du mélange d'air et de fuel. La rentrée d'air secondaire (flèches 54) est facilitée par l'orientation des manchons tubulaires 29.
Enfin, la série des petits trous 31 assure une rentrée d'air additionnelle. .
L'air primaire mélangé au fuel au niveau de la zone renflée 16 et du convergent 17 correspond à la quantité d'air minima pour brûler complètement le fuel. Les gaz brûlés cheminent dans la zone divergente 18 (flèches 52) à contre-courant par rapport à l'air périphérique (flèches 51). Au niveau des larges fentes 32, les gaz brû lés reçoivent un important appoint d'air de refroidis sement auquel ils se trouvent mélangés (flèches 53). La température du mélange étant ainsi réglée au niveau désiré, le débit de gaz brûlés est envoyé dans le collec teur 20 pour actionner la roue haute pression 4 de la turbine.