EP0501877A1 - Chambre de combustion à prémélange pauvre munie d'une enceinte à contre-courant destinée à stabiliser la flamme du prémélange - Google Patents

Chambre de combustion à prémélange pauvre munie d'une enceinte à contre-courant destinée à stabiliser la flamme du prémélange Download PDF

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EP0501877A1
EP0501877A1 EP92400489A EP92400489A EP0501877A1 EP 0501877 A1 EP0501877 A1 EP 0501877A1 EP 92400489 A EP92400489 A EP 92400489A EP 92400489 A EP92400489 A EP 92400489A EP 0501877 A1 EP0501877 A1 EP 0501877A1
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EP92400489A
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Inventor
Gérard Yves Georges Barbier
Xavier Marie Henri Bardey
Michel André Albert Desaulty
Serge Marcel Meunier
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Safran Aircraft Engines SAS
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Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/54—Reverse-flow combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones

Definitions

  • combustion chamber in particular for turbo-machines, comprising a first enclosure, provided with a first fuel injection device for low power operation and primary oxidant intake orifices; a second enclosure, separate from the first enclosure, provided with a second fuel injection device for operation at full power and with primary oxidizer intake orifices; and, an evacuation chamber for the burnt gases, distinct from said first and second enclosures, into which these first and second enclosures open in parallel.
  • the first enclosure provided with the injection device for idling, does not have dilution orifices, while the second enclosure is provided with it.
  • the second enclosure fitted with the injection device for operation at full load, is arranged in series, following the first enclosure, without its own admission of primary oxidizer.
  • the invention intends to remedy these various drawbacks noted, therefore having as its object a combustion chamber, as defined above, in which the wall delimiting the first enclosure is crossed by inlet ports for dilution oxidant, the wall delimiting the second enclosure being, on the contrary, free of orifices other than said primary oxidizer inlet orifices producing a lean premix inside this enclosure.
  • the main advantage of the invention lies in the possibility of obtaining good combustion stability and reduced pollution at the various desired operations, in particular at idle speed and at full load.
  • the space 21 between the outer wall 16 of the casing and the corresponding parts of the wall 6, of the support 2 and of the bottom 5 may contain, as in the example shown, an additional compressor 22; for this purpose, an intermediate wall 23, inside the casing, separates the interior of the latter into two distinct volumes: the space 21, and a space 24, delimited by this intermediate wall 23, the wall 8 and the remaining parts from the bottom 5 and from the wall 6.
  • the space 24 is in direct communication with the orifice 18 of the upstream general intake of compressed oxidizer.
  • the two extreme operating speeds are that of idling, with only the first fuel injection device 3 in service, and that of full load where the second fuel injection device 10 is also in service.
  • the arrangements of the invention shown allow violent combustion of the rich mixture in the first enclosure 1, which is low in pollution and stable due to the configuration against the current of the injection (F3) in this enclosure relative to the direction F14 d evacuation of the burnt gases outside the enclosure 14.
  • combustion in the second enclosure 7 takes place in a premix enclosure, and relates to a very lean mixture. This combustion can be initiated by a catalyst and / or by the supply of hot gases from the first enclosure 1.

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Abstract

L'invention est relative à une chambre de combustion comportant : une première enceinte (1), munie d'un dispositif (3) d'injection de carburant pour le fonctionnement à faible puissance et d'une admission (4) de comburant primaire ; une deuxième enceinte (7) munie d'un dispositif (10) d'injection de carburant pour le fonctionnement à pleine puissance et d'une admission (11) de comburant primaire ; et, une enceinte (14) d'évacuation des gaz, dans laquelle ces première (1) et deuxième (7) enceintes débouchent (13,12) en parallèle.
Selon l'invention, la paroi (6) de la première enceinte (1) est traversée par des orifices (27) d'admission de comburant de dilution, la paroi (8) délimitant la deuxième enceinte (7) étant au contraire exempte d'orifices autres que lesdits orifices d'admission de comburant primaire.
Une application de l'invention est la réalisation d'une turbo-machine présentant des fonctionnements stables et peu polluants.

Description

  • On connaît déjà une chambre de combustion, notamment pour turbo-machines, comportant une première enceinte, munie d'un premier dispositif d'injection de carburant pour le fonctionnement à faible puissance et d'orifices d'admission de comburant primaire ; une deuxième enceinte, distincte de la première enceinte, munie d'un deuxième dispositif d'injection de carburant pour le fonctionnement à pleine puissance et d'orifices d'admission de comburant primaire ; et, une enceinte d'évacuation des gaz brûlés, distincte desdites première et deuxième enceintes, dans laquelle ces première et deuxième enceintes débouchent en parallèle.
  • Selon cet art antérieur, la première enceinte, munie du dispositif d'injection pour le fonctionnement au ralenti, ne comporte pas d'orifices de dilution, alors que la deuxième enceinte en est munie. De plus, la deuxième enceinte, munie du dispositif d'injection pour le fonctionnement à pleine charge est disposée en série, à la suite de la première enceinte, sans admission propre de comburant primaire. On peut penser que ces dispositions ne conduisent pas à l'obtention de fonctionnements peu polluants, les alimentations en comburant n'étant probablement pas optimales.
  • L'invention entend remédier à ces divers inconvénients constatés, en ayant donc pour objet une chambre de combustion, telle que précédemment définie, dans laquelle la paroi délimitant la première enceinte est traversée par des orifices d'admission de comburant de dilution, la paroi délimitant la deuxième enceinte étant au contraire exempte d'orifices autres que lesdits orifices d'admission de comburant primaire réalisant un prémélange pauvre à l'intérieur de cette enceinte.
  • Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées :
    • la première enceinte est disposée dans une configuration dite à contre-courant de la deuxième enceinte ;
    • l'injection de carburant par le premier dispositif d'injection de carburant a un sens sensiblement opposé à celui de l'injection de carburant par le deuxième dispositif d'injection de carburant et à celui d'évacuation des gaz dans l'enceinte d'évacuation des gaz ;
    • la deuxième enceinte et l'enceinte d'évacuation des gaz ont chacune un axe, les axes de ces deux enceintes étant sensiblement parallèles et dans le prolongement l'un de l'autre ;
    • la paroi de la première enceinte comporte une première partie, qui constitue le support du premier dispositif d'injection de carburant, et, une deuxième partie, qui constitue un fond longitudinal de la première enceinte et qui est disposée en regard, mais distante dudit support, cependant que l'orifice par lequel ladite première enceinte communique avec l'enceinte d'évacuation des gaz est situé dans une troisième partie de la paroi, qui est sensiblement équidistante desdits support et fond ;
    • le mélange carburant/comburant susceptible d'être réalisé dans la première enceinte est un mélange riche par rapport au mélange stochiométrique ;
    • le mélange carburant/comburant susceptible d'être réalisé dans la deuxième enceinte est un prémélange pauvre par rapport au mélange stochiométrique.
  • L'avantage principal de l'invention réside dans la possibilité d'obtenir une bonne stabilité de la combustion et une pollution réduite aux divers fonctionnements désirés, notamment au régime du ralenti et à celui de pleine charge.
  • L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-dessous à titre d'exemple.
  • Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif.
  • Il sera fait référence au dessin annexé, dans lequel la figure unique est une coupe axiale d'une chambre de combustion conforme à l'invention.
  • La chambre de combustion représentée comporte :
    • une première enceinte 1 délimitée par une paroi comprenant une première partie constituant le support 2 d'un premier dispositif d'injection de carburant 3 et munie des orifices 4 d'admission de comburant primaire, par une deuxième partie, qui est disposée en regard et distante du support 2 et qui constitue le fond 5 de la première enceinte 1 et par une partie de liaison 6 desdits support 2 et fond 5 ;
    • une deuxième enceinte 7 délimitée par une paroi 8 conformée en une sorte de cône convergent, dont l'une des bases constitue le support 9 d'un deuxième dispositif d'injection de carburant 10, muni des orifices correspondants 11 d'admission de comburant primaire et dont l'autre base constitue un orifice de communication 12, la paroi 8 rejoignant la paroi 6 dans la zone d'un orifice de communication 13 ménagé dans cette paroi 6 ;
    • une troisième enceinte 14 délimitée par une paroi 15, dans laquelle débouchent la première enceinte 1 par l'orifice de communication 13 et la deuxième enceinte 7 par l'orifice de communication 12 ;
    • un carter comportant une paroi externe 16 et une paroi interne 17, qui entoure lesdites première, deuxième et troisième enceintes 1, 7,14 et muni de deux orifices 18 et 19, l'orifice 18 étant celui d'admission générale amont de comburant comprimé, en l'espèce d'air comprimé provenant d'un compresseur d'air, et l'orifice 19 étant celui traversé par la paroi 15, à proximité de l'orifice 20 de ladite paroi 15 par lequel les gaz brûlés contenus dans la troisième enceinte 14 sont évacués hors de cette troisième enceinte.
  • L'espace 21 compris entre la paroi externe 16 du carter et les parties correspondantes de la paroi 6, du support 2 et du fond 5 peut contenir, comme dans l'exemple représenté, un compresseur supplémentaire 22 ; à cet effet, une paroi intermédiaire 23, intérieure au carter, sépare l'intérieur de celui-ci en deux volumes distincts : l'espace 21, et un espace 24, délimité par cette paroi intermédiaire 23, la paroi 8 et les parties restantes du fond 5 et de la paroi 6. L'espace 24 est en communication directe avec l'orifice 18 de l'admission générale amont de comburant comprimé.
  • Les dispositions suivantes doivent être notées :
    • les sens F3 et F10 d'injection de carburant des dispositifs d'injection 3 et 10 sont sensiblement opposés, les première (1) et deuxième (7) enceintes étant disposées selon la configuration dite "à contre-courant", et débouchant toutes deux en parallèle dans la troisième enceinte 14 par leurs orifices respectifs de communication 13 et 12 ;
    • une (ou plusieurs) bougie d'allumage 25 est disposée à proximité du dispositif d'injection 3 ;
    • les distances D2 et D5, mesurées parallèlement à l'axe 26 des parois externe 16 et interne 17 du carter, séparant les bords limites de l'orifice de communication 13 du support 2 et du fond 5, respectivement, sont sensiblement égales, de sorte que la bande longitudinale de largeur D13, dans laquelle est disposé l'orifice de communication 13 est sensiblement équidistante du support 2 et du fond 5 ;
    • dans la zone de la première enceinte 1 voisine du dispositif d'injection 3, la paroi 6 est traversée par des orifices 27 d'admission de comburant (d'air) de dilution des gaz issus de la combustion du carburant injecté par le dispositif d'injection 3 avec le comburant primaire admis à travers les orifices d'admission 4 ;
    • par contre, la deuxième enceinte 7 ne comporte que les seuls orifices d'admission 11 de comburant primaire, mais ne comporte pas d'orifices d'admission de comburant de dilution ;
    • le dispositif d'injection 3 est celui permettant le fonctionnement de la chambre de combustion au régime de ralenti, sous faible charge, et est adapté à la réalisation d'un mélange riche par rapport au mélange stochiométrique ;
    • le dispositif d'injection 10 est celui permettant le fonctionnement de la chambre de combustion à plein régime, à pleine charge, et est par contre adapté à la réalisation d'un mélange pauvre par rapport au mélange stochiométrique ;
    • l'axe F14 de la troisième enceinte 14 est sensiblement parallèle, et même confondu avec l'axe F10 de l'injection de carburant réalisé par le disposifif d'injection 10 (axe F10, qui constitue sensiblement également l'axe de la deuxième enceinte 7) ;
    • les parois 6 et 15 des première et troisième enceintes 1 et 14 sont constituées par des viroles assemblées les unes aux autres, munies, dans la zone de raccordement de deux adjacentes d'entre-elles, de séries d'orifices 28 d'admission de films de comburant de réfrigération des parois chaudes 6 et 15 ;
    • les parties 8A de raccordement de la paroi 8 avec lesdites parois 6 et 15, situées au-delà de l'orifice de communication 12 et contribuant à délimiter la troisième enceinte 14, sont des parois doubles, à l'intérieur desquelles le comburant comprimé contenu dans l'espace 24 peut pénétrer à travers des orifices amont 29 et d'où il peut ressortir à travers des orifices aval 30 qui débouchent dans la troisième enceinte 14, cette circulation de comburant comprimé à l'intérieur de la paroi double 8A réalisant une réfrigération de ladite paroi double ;
    • la troisième enceinte 14 constitue l'enceinte d'évacuation des gaz brûlés dans la première enceinte 1 et, éventuellement, au régime de pleine charge, dans la deuxième enceinte 7.
  • Les deux régimes extrêmes de fonctionnement sont celui du ralenti, avec seulement le premier dispositif d'injection de carburant 3 en service, et celui de la pleine charge où le deuxième dispositif d'injection de carburant 10 est également en service.
  • Les dispositions de l'invention représentée permettent une combustion violente du mélange riche dans la première enceinte 1, peu polluante, et stable en raison de la configuration à contre-courant de l'injection (F3) dans cette enceinte par rapport au sens F14 d'évacuation des gaz brûlés hors de l'enceinte 14.
  • Ces dispositions permettent également un fonctionnement peu polluant au régime de pleine charge, lesdits régimes de ralenti et de pleine charge correspondant à des mélanges, l'un riche, l'autre pauvre, tous deux éloignés du mélange stochiométrique le plus polluant. De plus, la combustion au fonctionnement de pleine charge est réalisée avec un mélange pauvre très homogène, stable également.
  • L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient lui être apportées sans sortir de son cadre, ni de son esprit.
  • A noter que la combustion dans la deuxième enceinte 7 s'effectue dans une enceinte de pré-mélange, et concerne un mélange très pauvre. Cette combustion peut être initiée par un catalyseur et/ou par l'apport des gaz chauds provenant de la première enceinte 1.

Claims (7)

  1. Chambre de combustion, notamment pour turbo-machine, comportant :
    - une première enceinte (1), munie d'un premier dispositif (3) d'injection de carburant pour le fonctionnement à faible puissance et d'orifices (4) d'admission de comburant primaire ;
    - une deuxième enceinte (7), distincte de la première enceinte, munie d'un deuxième dispositif (10) d'injection de carburant pour le fonctionnement à pleine puissance et d'orifices (11) d'admission de comburant primaire ; et,
    - une enceinte (14) d'évacuation des gaz brûlés, distincte desdites première et deuxième enceintes, dans laquelle ces première et deuxième enceintes débouchent (13,12) en parallèle ; caractérisée en ce que la paroi (6) délimitant la première enceinte (1) est traversée par des orifices (27) d'admission de comburant de dilution, la paroi (8) délimitant la deuxième enceinte (7) étant au contraire exempte d'orifices autres que lesdits orifices (11) d'admission de comburant primaire.
  2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première enceinte (1) est disposée dans une configuration dite à contre-courant de la deuxième enceinte (7).
  3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'injection de carburant par le premier dispositif (3) d'injection de carburant a un sens (F3) sensiblement opposé à celui (F10) de l'injection de carburant par le deuxième dispositif (10) d'injection de carburant et à celui (F14) d'évacuation des gaz dans l'enceinte (14) d'évacuation des gaz.
  4. Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que la deuxième enceinte (7) et l'enceinte (14) d'évacuation des gaz ont chacune un axe, les axes (F10,F14) de ces deux enceintes étant sensiblement parallèles et dans le prolongement l'un de l'autre.
  5. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la paroi de la première enceinte (1) comporte une première partie, qui constitue le support (2) du premier dispositif (3) d'injection de carburant, et, une deuxième partie, qui constitue un fond longitudinal (5) de la première enceinte et qui est disposée en regard, mais distante dudit support, cependant que l'orifice (13) par lequel ladite première enceinte (1) communique avec l'enceinte (14) d'évacuation des gaz est situé dans une troisième partie (6) de la paroi, qui est sensiblement équidistante (D13/D2,D5) desdits support (2) et fond (5).
  6. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le mélange carburant/comburant susceptible d'être réalisé dans la première enceinte (1) est un mélange riche par rapport au mélange stochiométrique.
  7. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le mélange carburant/comburant susceptible d'être réalisé dans la deuxième enceinte (7) est un prémélange pauvre par rapport au mélange stochiométrique.
EP92400489A 1991-02-28 1992-02-26 Chambre de combustion à prémélange pauvre munie d'une enceinte à contre-courant destinée à stabiliser la flamme du prémélange Withdrawn EP0501877A1 (fr)

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