CH631800A5 - Chambre de combustion pour turbine a gaz. - Google Patents

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Description

La présente invention concerne les chambres de combustion pour turbine à gaz comportant au moins une paroi périphérique qui délimite une zone de combustion cylindrique ou annulaire, une tête fermée portant au moins un injecteur de combustible et des passages d'admission d'air turbulent autour de l'injecteur de combustible, l'extrémité aval de la chambre étant ouverte.
Dans ce type de chambre de combustion, la paroi extérieure de la chambre ou le tube à flamme qu'elle contient est percé d'orifices d'admission de l'air primaire, secondaire et tertiaire. Ces orifices peuvent avoir des bords francs ou des bords repliés vers l'intérieur de la chambre avec une section convexe.
Le rôle des trous d'air primaire est de produire une turbulence suffisamment forte pour stabiliser la flamme et favoriser une combustion aussi complète que possible dans la zone primaire. L'efficacité des orifices d'admission d'air décrits ci-dessus est limitée par la pénétration insuffisante des jets d'air et par leur éclatement prématuré dans la chambre de combustion. De plus, les jets d'air tendent à être déviés vers l'aval hors de la zone primaire par la vitesse d'écoulement des gaz de combustion. Cette déviation dépend également de l'angle d'incidence des jets d'air primaire. La conséquence de tous ces déficiences est un brassage insuffisant du mélange riche dans la zone primaire et une combustion incomplète qui se prolonge souvent dans les zones plus froides de la partie aval de la chambre. Cette extension de la combustion se traduit par une augmentation des imbrûlés, particulièrement avec des combustibles plus lourds que le kérosène, comme le gazole.
; Les orifices d'air secondaire fournissent un appoint d'oxygène pour achever la combustion et l'air tertiaire sert à brasser les gaz pour les refroidir et uniformiser leur température dans la partie aval de la chambre de façon à protéger les parties «chaudes» de la turbine. Dans les chambres de combustion du îc type décrit, les orifices d'introduction de l'air secondaire et tertiaire souffrent des mêmes déficiences que les orifices d'introduction de l'air primaire, c'est-à-dire que les jets ont une pénétration insuffisante et tendent à éclater prématurément. De plus, les jets secondaire et tertiaire sont déviés vers l'aval par l'écou-15 lement rapide des gaz de combustion. Dans certaines configurations, l'angle d'incidence des jets d'air secondaire et tertiaire joue également un rôle. A cause de ces limitations, la combustion n'est pas complète dans la zone secondaire et se poursuit localement dans la zone tertiaire en produisant des variations 20 inacceptables de la température des gaz, d'autant plus que l'air tertiaire n'assure pas un brassage suffisant pour homogénéiser les températures à la sortie de la chambre de combustion.
La présente invention a donc pour but de créer une chambre de combustion pour turbine à gaz qui permet de réduire ou 25 d'éliminer ces divers problèmes. La chambre de combustion de l'invention est définie par la revendication 1.
D'autres tubes peuvent être disposés de la même manière en aval des tubes d'air primaire pour améliorer l'introduction des jets d'air secondaire et tertiaire. Les tubes d'air secondaire et 30 tertiaire peuvent être décalés par rapport au plan diamétral de la chambre de combustion pour induire une rotation dans le même sens que le tourbillon d'air primaire qui existe dans la partie amont de la chambre.
Les tubes d'air primaire, secondaire et tertiaire peuvent 35 avoir des sections circulaires ou autres adaptées au résultat recherché et leurs axes longitudinaux font de préférence des angles obtus avec l'axe longitudinal de la chambre orienté de l'amont vers l'aval.
Les tubes peuvent être disposés dans la chambre de façon 40 que l'interaction de leurs jets d'air produise une composante de mouvement dirigée vers l'amont dans l'axe de la chambre ou dans l'axe d'un injecteur de combustible.
Chaque tube d'air a de préférence une entrée convergente à l'extérieur de la chambre et, dans le cas où les tubes sont cylin-45 driques, il est préférable que cette entrée soit évasée vers l'extérieur en forme de trompette.
Si la paroi de la chambre de combustion ou le tube à flamme qu'elle contient est métallique, il est souhaitable de prévoir un refroidissement par un film d'air froid. En variante, la chambre 50 de combustion peut être réalisée en totalité ou en partie avec des matériaux céramiques réfractaires.
L'injecteur de combustible peut être un atomiseur de combustible liquide ou un autre type d'injecteur de combustible gazeux ou vaporisé.
55 Les dessins annexés illustrent à titre d'exemple deux formes d'exécution de l'objet de l'invention.
La figure 1 est ime coupe axiale d'une chambre de combus-60 tion cylindrique.
La figure 2 est une coupe transversale dans le plan II—II de la figure 1.
La figure 3 est une coupe transversale dans le plan III-III de la figure 1.
65 La figure 4 est une coupe transversale dans le plan IV-IV de la figure 1 montrant une disposition modifiée des tubes d'air.
La figure 5 est une coupe axiale d'une seconde chambre de combustion de type annulaire.
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631 800
La figure 6 est une coupe transversale dans le plan VI-VI de la figure 5.
Les figures 1 à 3 représentent une chambre de combustion cylindrique 1 dont l'extrémité amont est fermée par une paroi 2 qui comporte en son centre un injecteur de combustible 3 monté dans l'axe de la chambre. L'injecteur 3 produit un jet 4 de combustible atomisé ou gazeux. L'injecteur 3 est entouré d'une couronne d'aubes de turbulence 5 qui induisent une rotation axiale de l'air de combustion. Dans l'application envisagée, le combustible peut être un liquide vaporisable, comme le kérosène ou le gazole. L'extrémité aval de la chambre de combustion est ouverte en 6 en direction de la turbine. La figure 2 indique le sens du tourbillon d'air qui est créé à l'intérieur de la chambre.
La paroi de la chambre de combustion est munie de tubes cylindriques 7,8 et 9 disposés en couronnes autour de son axe en différents points de la longueur de la longueur de la chambre. Sur la figure 1, les trois couronnes représentées correspondent respectivement à l'air primaire, secondaire et tertiaire. L'entrée de chaque tube 7,8 ou 9 située à l'extérieur de la chambre est évasée en trompette. De plus, chaque tube pénètre radialement d'une certaine longueur dans la chambre et son axe est incliné vers l'amont en faisant un angle obtus 0 par rapport à l'axe longitudinal de la chambre de combustion qui coïncide avec celui de l'injecteur de combustible 3. Les tubes des couronnes 7, 8 et 9 peuvent être de diamètres différents et leur disposition axiale ou circonférentielle peut être modifiée par rapport à celle de la figure 1. On peut notamment utiliser des tubes de longueurs et de sections différentes, des inclinaisons 0 différentes, etc., en fonction des caractéristiques de la chambre. Il est donc clair que la disposition et les dimensions illustrées sur les figures ne sont qu'illustratives.
L'air introduit par les tubes primaires 7 remonte dans la partie amont de la chambre en créant un écoulement toroïdal 10 représenté sur la figure 1. La profondeur de pénétration des tubes 7 à l'intérieur de la chambre permet aux jets d'air primaire de se rencontrer sur l'axe de la chambre et de se dévier mutuellement dans la zone d'atomisation du combustible 4 en provoquant un brassage intense. La forme évasée de l'entrée des tubes 7 permet de réduire ou d'éliminer l'influence de l'écoulement de l'air à l'extérieur de la chambre sur la direction des jets d'air primaire.
Les tubes 8 peuvent être disposés radialement comme les tubes 7 de la figure 3 pour produire des jets d'air secondaire 11 qui se rencontrent au centre de la chambre. En variante, les jets d'air secondaire 11 peuvent être utilisés pour induire une rotation dans le même sens que le tourbillon produit par l'air de combustion et l'air primaire dans la partie amont de la chambre. Pour cela, il suffit de décaler les tubes 8 par rapport au plan diamétral de la chambre de façon que leurs jets d'air soient dirigés tangentiellement par rapport à un cercle fictif concentri-5 que, comme illustré sur la figure 4. Dans cette disposition les tubes 8 conservent leur inclinaison vers l'amont illustrée sur la figure 1.
La dispostion des tubes 7 et 8 est telle que les jets d'air primaire et secondaire se dévient mutuellement vers l'amont îodans l'axe de la chambre et de l'injecteur de combustible.
La présence des tubes 7 et 8 permet de mieux disperser les particules de combustible pour assurer une meilleure combustion et d'uniformiser la température des gaz qui s'échappent à l'extrémité aval 6 de la chambre.
15 La chambre de combustion 1 est également équipée d'une couronne de tubes 9 qui produisent des jets d'air tertiaire destinés à refroidir les gaz de combustion et à créer un brassage améliorant l'uniformité des températures. Les tubes 9 peuvent être disposés radialement comme les tubes 7 de la figure 3 ou 20 tangentiellement comme les tubes 8 de la figure 4. Dans les deux cas, leurs axes sont dirigés vers l'amont, comme indiqué sur la figure 1.
En pratique, la disposition inclinée des tubes 7,8 et 9 permet d'augmenter le temps de séjour de l'air dans les zones de 25 combustion, de fractionner les particules imbrûlées et d'assurer un brassage énergique des gaz de combustion et de l'air.
La vitesse des gaz de combustion augmentant de l'amont vers l'aval dans la chambre de combustion, les jets d'air primaire inclinés vers l'amont se combinent avec l'air de combustion qui 30 est introduit autour de l'injecteur de combustible pour produire un mélange de richesse idéale avec une forte turbulence favorisant la combustion complète. Les jets d'air secondaire et tertiaire pénètrent moins profondément dans la veine de gaz de combustion qui accélère fortement dans les zones secondaire etter-35 tiaire.
La chambre de combustion annulaire 12 des figures 5 et 6, comporte une série d'injecteurs 13 qui introduisent un combustible liquide, vaporisé ou gazeux dans la zone de combustion. Des tubes d'air 7', 8' et 9' sont disposés en couronnes comme 40 les tubes 7,8 et 9 du premier mode de réalisation. L'action des jets d'air primaire, secondaire et tertiaire est identique dans les deux cas et améliore sensiblement les conditions de combustion.
Il est évident que l'invention s'appliquent non seulement aux chambres équipées d'injecteurs à atomisation, mais aussi à •»5 celles qui comportent des gicleurs ou des tubes d'injection de gaz ou de vapeurs combustibles.
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4 feuilles dessins

Claims (7)

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1. Chambre de combustion pour turbine à gaz comportant au moins une paroi périphérique qui délimite une zone de combustion cylindrique ou annulaire et qui est munie d'entrées d'air primaire, une tête fermée portant au moins un injecteur de combustible et des passages d'admission d'air turbulent autour de l'injecteur de combustible, l'extrémité aval de la chambre étant ouverte, caractérisée en ce que les entrées d'air primaire sont des tubes ouverts (7 ; 7') pénétrant à travers la paroi périphérique (1 ; 12) d'une certaine distance à l'intérieur de la chambre de combustion, l'extrémité des tubes étant inclinée vers l'amont de la chambre de combustion de façon à produire des jets d'air ayant au moins line composante de mouvement dirigée vers l'amont le long de l'axe longitudinal de la chambre ou parallèlement à cet axe pour produire un recyclage du combustible, de l'air et des gaz de combustion dans la chambre.
2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte d'autres tubes ouverts (8,9 ; 8', 9') disposés selon une configuration similaire à celle des tubes d'air primaire en des points décalés vers l'aval pour introduire des jets d'air secondaire et tertiaire dans la chambre.
2
REVENDICATIONS
3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que les tubes d'air secondaire et tertiaire sont inclinés par rapport à un plan diamétral de la chambre de combustion pour induire un écoulement tourbillonnaire de même sens que celui qui existe dans la partie amont de la chambre.
4. Chambre de combustion selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les axes longitudinaux des tubes d'air primaire, secondaire et tertiaire (7,8,9; 7', 8', 9') sont inclinés vers l'amont en formant des angles obtus (0) avec l'axe longitudinal de la chambre.
5. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que les tubes d'air sont disposés de façon que leurs jets d'air se rencontrent et se dévient mutuellement vers l'amont de la chambre sensiblement sur son axe longitudinal ou sur celui d'un injecteur de combustible.
6. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque tube d'air comporte une entrée évasée à l'extérieur de la chambre de combustion.
7. Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisée en ce que les tubes d'air sont cylindriques et ont une entrée évasée en trompette à l'extérieur de la chambre.
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