EP2176591A2 - Dispositif d'injection d'un combustible ou d'un pré-mélange combustible/comburant comprenant des moyens permettant un contrôle passif des instabilités de combustion - Google Patents

Dispositif d'injection d'un combustible ou d'un pré-mélange combustible/comburant comprenant des moyens permettant un contrôle passif des instabilités de combustion

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EP2176591A2
EP2176591A2 EP08838515A EP08838515A EP2176591A2 EP 2176591 A2 EP2176591 A2 EP 2176591A2 EP 08838515 A EP08838515 A EP 08838515A EP 08838515 A EP08838515 A EP 08838515A EP 2176591 A2 EP2176591 A2 EP 2176591A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
injection
combustion zone
combustion
injection device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08838515A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Noiray
Daniel Durox
Sébastien CANDEL
Thierry Schuller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2176591A2 publication Critical patent/EP2176591A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • Device for injecting a fuel or a fuel / oxidant premix comprising means enabling passive control of the combustion instabilities
  • the invention relates to the field of combustion, and more particularly to combustion in a multipoint injection system.
  • the multipoint injection systems are characterized by a combustion chamber in which is injected at several points a fuel or a premix of a fuel / oxidant. The combustion takes place downstream of the multipoint injection system.
  • fuel will mean in the following both the fuel but also the fuel / oxidant premix.
  • acoustic instability which results from a coupling between the combustion process and the acoustics of the system.
  • instabilities have a detrimental effect on the behavior of the system or installation implementing combustion.
  • the acoustic instability arises due to a resonant coupling between the flames and the acoustics of the system or installation. Indeed, when subjected to an acoustic excitation (unsteady flow and pressure), the system induces oscillations of the release of heat. The luminous intensity emitted by the free radicals OH * , CH * , C 2 * (proportional to the release of heat) oscillates sinusoidally around the position average. And the response of the flames to the acoustic excitation leads to increase the instability of the combustion system.
  • the coupling between the combustion and the acoustics of the system can have serious consequences with, in particular, a degradation of the performances and, in some cases, serious damage for the installations and their environment (vibration of the structures, extinguishing of flames, sound radiation powerful, etc.).
  • acoustic dampers In order to prevent the damage that may result from this type of instability, control methods are used, passive methods being the most common methods. Among these, there may be mentioned a method related to the use of "acoustic dampers".
  • the acoustic dampers consist of Helmholtz resonator type cavities or quarter wave resonator type cavities. These cavities, placed in particular at the periphery of the combustion chambers, make it possible to absorb a part of the acoustic energy, to reduce the quality factor of the system and thus to increase the size of the stability ranges of the system.
  • such solutions remain expensive in terms of space (large size) and structural mass.
  • the invention aims in particular to overcome the disadvantages of the prior art described above by proposing a combustion system for eliminating the instabilities of combustion, and more particularly the instabilities related to the thermo-acoustic effects of the resonant coupling of the system implementing combustion.
  • the invention relates to a multipoint injection device for a fuel or a fuel / oxidant premix in a combustion zone disposed downstream of said device so as to form flames.
  • said device comprising at least one fuel flow pipe or premix to the combustion zone and means for controlling the flow of fuel or premix leading into the combustion zone.
  • the injection device according to the invention is remarkable in that the control means are arranged to define, in the flow conduit, at least two control orifices having a predetermined longitudinal offset ⁇ X non-zero so that, in response to an acoustic stress, the flames formed in the combustion zone, respectively at the output of each control orifice, oscillate in phase shift. Said orifices have distinct longitudinal axes.
  • Combustion zone means a confined reaction zone, such as a combustion chamber, or an unconfined reaction zone.
  • the flow conduit comprises a plurality of diameter D injection channels provided with an outlet opening in the combustion zone and in that the control means comprise diaphragms, respectively arranged transversely in each associated injection channel, the openings of said diaphragms forming the control orifices.
  • a diaphragm means a restriction of the diameter of the injection channels. This restriction can be directly formed by the inner wall of the channels, or can be achieved by the introduction of a perforated plate inside the channels.
  • half of the diaphragms is placed at a distance X 1 from the outlet opening of the associated injection channels, the other half of the diaphragms being situated at a distance X 2 from the exit opening of the injection channels, X 2 different from X1 so as to present a determined offset ⁇ X that is not zero.
  • the diaphragms of the first half of the injectors and those of the second have orifices of the same diameter d. It may, however, be provided with non-identical opening diameters.
  • the flow conduit is provided with two series of injection channels respectively provided with a outlet opening in the combustion zone, the injection channels of each series comprising an inner wall having a sudden enlargement located respectively at a distance from the different outlet openings L12 and L22, said enlargements forming the control orifices.
  • the enlargements of each series of injection channels thus have a non-zero longitudinal offset.
  • the injection channels comprise a first zone of diameters D11 and D21 and a second zone of diameters D12 and D22 greater than the diameters D11 and D21.
  • the second zone of the channels of the first series of injectors having a different length than the channels of the second series of injector. This difference in length has a nonzero offset ⁇ X.
  • the diameters D11 and D21 are identical (likewise for D12 and D22), equality being not absolutely necessary.
  • control means comprise a panel arranged transversely in the flow conduit, said panel comprising a surface in which are formed wells so as to form transverse surfaces offset from each other each of the surfaces being provided with a control orifice.
  • the transverse surfaces comprise the surface of the panel associated with the bottom of the wells.
  • the means for controlling the flow of fuel or premix consist mainly of a sudden localized variation of the diameter of the injection channels so as to form, downstream of the variation of the diameter of the injection channels, vortices. moving at the speed of fuel flow or pre-mixing.
  • This variation in diameter combined with a position of the variations of each of the channels, offset longitudinally from each other, leads to offset the oscillation of the flames in the combustion zone.
  • the flames have a phase shift to compensate for acoustic stresses.
  • the invention relates to a combustion system comprising a combustion zone associated with an injection device as described above.
  • FIG. 1 illustrates a partial sectional view of a combustion system according to a first configuration of the invention
  • FIG. 2 is a partial front view of the combustion system of FIG. 1;
  • FIG. 3 illustrates the combustion system of FIG. 1 operating in stationary mode
  • FIG. 4A and 4B show, respectively at time t and the time t + T / 2, the combustion system of Figure 1 operating in forced mode;
  • FIG. 5 illustrates a combustion system according to a second configuration of the invention
  • FIG. 6 illustrates the combustion system of FIG. 5 operating in stationary mode
  • FIG. 7A and 7B show, respectively at time t and the time t + T / 2, the combustion system of Figure 5 operating in forced mode;
  • FIG. 8 illustrates a sectional view of a combustion system according to a third configuration of the invention.
  • FIG. 9 illustrates the combustion system of FIG. 8 operating in stationary mode
  • FIG. 10A and 10B show, respectively at time t and the time t + T / 2, the combustion system of Figure 8 operating in forced mode;
  • FIG. 11 illustrates a sectional view of a combustion system according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 12 is a partial front view of the combustion system of Figure 8.
  • FIG. 13 illustrates the combustion system of FIG. 12 operating in stationary mode
  • FIG. 14A and 14B show, respectively at time t and the time t + T / 2, the combustion system of Figure 12 operating in forced mode;
  • FIG. 15 illustrates a sectional view of a combustion system according to a fifth configuration of the invention.
  • FIG. 16 illustrates the combustion system of FIG. 15 operating in stationary mode
  • - Figures 17A and 17B show, respectively at time t and the time t + T / 2, the combustion system of Figure 16 operating in forced mode;
  • FIG. 18 illustrates the oscillatory behavior of the flames in stationary and forced regime in the combustion system of FIGS. 1 to 3 and 4A and 4B when it does not include a diaphragm;
  • FIG. 19 illustrates the signal of an acoustic excitation and the associated response of the flames in the combustion system of FIGS. 1 to 3 and
  • FIG. 20 illustrates the oscillatory behavior of the stationary and forced-regime flames in the combustion system of FIGS. 1 to 3 and 4A and 4B when the combustion system comprises diaphragms;
  • Figure 21 illustrates the signal of an acoustic excitation and the associated response of the flames in the combustion system of Figures 1 to 3 and 4A and 4B when the combustion system has diaphragms.
  • a combustion system 1 comprising a fuel inlet chamber 2 and a combustion zone 3, said zones 2, 3 being connected by a plurality of injectors. 4 for injecting into the combustion zone 3 the fuel or a premix of fuel and oxidant.
  • Each injector 4 comprises a fuel injection channel 5 provided with an inlet opening 6 opening into the intake chamber 2 and an outlet opening 7 opening into the combustion zone 3.
  • the injection channel 5 advantageously has a circular section of diameter D.
  • Each injection channel 5 comprises means for controlling the injection of the fuel into the combustion chamber 3.
  • the control of the fuel injection is performed by a sudden change in the diameter of the injection channel 5, at a given point in the length of said channel.
  • the change of diameter is achieved by means of a diaphragm 9 provided with a preferably central lumen 10.
  • the light 10 has a diameter d smaller than the diameter D of the injection channels.
  • the thus configured light 10 forms a control port 10 of the associated injection channel.
  • the diaphragm 9 is disposed transversely inside the injection channel 5 of the injector 4.
  • the combustion system 1 comprises two series of injectors, each series being distinguished by the position of the diaphragms 9 in the associated injection channels 5.
  • the combustion system 1 comprises a first series of injectors 4a whose diaphragm 9 is located at a distance X1 from the outlet opening 7 of the injection channel 5a and a second series of injector 4b whose diaphragm 9 is located at a distance X2 from the outlet opening 7 of the injection channel 5b (FIG. 1), the distance X2 being different from the distance X1.
  • the diaphragms 9 are arranged offset relative to one another.
  • this shift of the diaphragms makes it possible to phase out the flames at the output respectively of the channels 5a and 5b of the first and second series of injector 4a, 4b, so as to eliminate the thermo-acoustic effects of the coupling "combustion / acoustics »of the combustion system 1.
  • the choice of distances X1 and X2 is a function of the power of the injectors, and therefore the diameter D of the injectors and the fuel flow through the injectors. More particularly, the distances X1 and X2 are defined as a function of the ratio of the diameter of the control orifices 10 and the injection channels 5a, 5b (d / D) and the average injector flow. They are set up so that, when the combustion system 1 is stationary, the fuel, in the form of jets 8, sticks to the walls of the injection channels before their exit through the opening 7 in the combustion chamber 3 ( Figure 3). Such a configuration thus makes it possible to guarantee an identical pressure drop for the two series of injectors 4a and 4b, providing, in steady state stationary, an outflow in the combustion chamber 3 equal, regardless of the series of injectors.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate the behavior of the combustion system 1 when it is subjected to disturbances 11 of the fuel flow, at different times.
  • these disturbances 11 are reflected in particular by fluctuations in the flow rate from the inlet chamber 2 to the passage of the injectors 4a and 4b.
  • the frequency f of these disturbances 11 corresponds to one of the acoustic eigen modes of the combustion system 1.
  • the associated wavelength is generally large compared to the dimensions of the injector.
  • the presence of a diaphragm 9 in the injection channels 5 of each of the injectors 4 imposes a transfer between the acoustic energy and the kinetic energy of the hydrodynamic modes of the flow.
  • Convective delay means the ratio of the distance between the diaphragm 9 and the outlet opening of a channel (Xi) with the propagation speed of an annular vortex 12 (Vt).
  • a phase shift ⁇ can then be created between the injectors of the first series 4a and the injectors of the second series 4b, where:
  • the offset ⁇ X between the diaphragms 9 of the injectors of each series 4a and 4b is then chosen so that, at a given frequency f, the total acoustic flow fluctuation at the inlet chamber 2 gives hydrodynamic fluctuations in opposition to phase of a series of injectors to another at the level of the combustion zone 3.
  • the ⁇ X shift thus makes it possible to decouple the flames at the outlet of the first series injectors from the flames at the outlet of the injectors of the second series, and to phase them out.
  • the steady-state flames are identical (FIG. 3).
  • the flames in forced mode (stresses or acoustic disturbances), the flames have a phase shift compensating the acoustic stresses imposed on the combustion system, and thus prevent the appearance of a clean mode of said system.
  • Figure 18 illustrates the oscillatory behavior of stationary (left-hand) and forced (seven-shot from right) flames when injection channels do not have a diaphragm. Without hydrodynamic compensation, it can be observed, under forced conditions, that the flames formed at the outlet of the injection channels oscillate in phase. Similarly, the luminous intensity emitted by the radicals OH *, proportional to the release of the heat, oscillates sinusoidally around the average position (figure 19, signal represented the highest on the graph) in response to a loudspeaker signal (acoustic excitation) (Figure 19, signal shown lowest on the graph): the flames respond to the acoustic excitation.
  • FIG. 20 illustrates the oscillatory behavior of the flames in stationary and forced conditions when the injection channels each comprise a diaphragm.
  • the channels provided with a hydrodynamic compensation it can be observed an oscillation of the flames in opposition of phase.
  • the luminous intensity emitted by the radicals OH * proportional to the release of heat, no longer oscillates around the average position (FIG. 21, signal represented the highest on the graph).
  • the flames therefore no longer respond to the acoustic excitation FIG. 21, the signal represented the lowest on the graph) when the injection channels are provided with a diaphragm.
  • the average level of heat release is identical to that when the channels do not include a diaphragm. The natural regime is not affected by the presence of diaphragm in the channels.
  • the first situation is that of a multi-point injection having injectors of small dimensions (diameter D of the order of 2 millimeters) placed in a system having a natural instability at a frequency f of the order of 500 Hz. absence of hydrodynamic compensation, ie in the absence of injection control means such as diaphragms, the system oscillates at the frequency f of the order of 500 Hz.
  • the injection channels 5a, 5b of each of the injectors 4a, 4b are respectively provided of diaphragms 9a, 9b having a diameter d of opening imposing a jet velocity V at said plates of the order of 6 m / s.
  • the second situation is that of a multipoint injection having injectors of large dimensions (diameter D of the order of 30 millimeters) placed in a system having a natural instability at a frequency f of the order of 150 Hz. absence of hydrodynamic compensation, this geometry has a natural instability at a frequency f of the order of 150 Hz.
  • the channels of each injector are provided with control diaphragms having a diameter d imposing a jet velocity V at the control diaphragms of the order of 15 m / s. Consequently, it is necessary to shift the control plates of the first series of injectors of the second series of injectors by 30 millimeters.
  • injectors 4 can be provided, the injection channels 5 of which are provided with a sudden change in diameter (FIGS.
  • the injection device will comprise at least two series of injectors 4a, 4b, the injectors of a series differing from another series by the location in the associated channels 5a, 5b of the enlargement of the channel. So :
  • the channels 5a of the injectors of a first series 4a comprise a first flow zone of diameter D1 and length L11 and a second flow zone 14 of diameter D2 and length L12, D2 being greater than the diameter D1;
  • the channels 5b of the injectors of a second series 4b comprise, for their part, a first flow zone of diameter D1 and length L21 and a second flow zone 14 of diameter D2 and length L22,
  • FIGS. 7A and 7B illustrate the response of the injectors 4a, 4b of each of the series when the latter are subjected to acoustic stresses coming from the intake chamber 2 (forced regime). Due to the sudden enlargement of the channels, annular vortices 12 are formed in the flow zone 14.
  • the injector channel of the first series comprises an enlargement located downstream of that of the injector channel of the second series, the flames 15 formed at the outlet of said injectors have a phase shift which makes it possible, as we have seen previously, to compensate for the acoustic stresses coming from the intake chamber 2.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate the response of the injectors 4a, 4b of each of the series when the latter are subjected to acoustic stresses coming from the intake chamber 2 (forced regime). Due to the sudden enlargement of the channels, annular vortices 12 are formed in the flow zone 14.
  • the injector channel of the first series comprises an enlargement located downstream of that of the injector channel of the
  • FIG. 7A and 7B illustrate more particularly the flames 15 at the output of the first and second series injectors at time t and at time t + T / 2, the latter being in phase opposition.
  • the dimensioning of the difference L12-L22 (that is to say ⁇ X) is done with the same mathematical formula as that used in the first situation.
  • Such a configuration is particularly suitable for perforated ceramics radiant panel burners whose injection channels are small.
  • control diaphragms 9 in the injection channels upstream of the swirl elements 17 ( Figures 8, 9 and 10A and 10B). These elements make it possible to create low-pressure zones in zone 3, favorable to the attachment of the flames.
  • a barrier serving as flame holder.
  • the obstacle 18 illustrated in FIGS. 11 to 13 and 14A and 14B consists of a coaxial rod extending longitudinally in the channel. This rod makes it possible to establish a zone of recirculation of the flow favorable to the spatial stabilization of the flame.
  • control means consist of a panel 19 disposed transversely in a flow conduit 20 connecting an inlet chamber 21 to a zone 22 where the combustion takes place.
  • the panel 19 comprises a surface 23 in which are formed wells 24 so as to form transverse surfaces 23, 25 offset from each other.
  • Each of the surfaces 23, 25 is provided with a control orifice 26.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection multipoints d'un combustible ou d'un pré-mélange combustible/comburant dans une zone de combustion 3 disposée en aval dudit dispositif de sorte à former des flammes, du type comprenant au moins un conduit d'écoulement du combustible ou du pré-mélange vers la zone de combustion 3 et des moyens de contrôle de l'écoulement du combustible ou du pré-mélange débouchant dans la zone de combustion, caractérisé en ce que les moyens de contrôle sont agencés pour définir, dans le conduit d'écoulement, au moins deux orifices de contrôle présentant un décalage longitudinal déterminé ΔX non nul de sorte que, en réponse à une sollicitation acoustique formée en amont des moyens de contrôle, les flammes formées dans la zone de combustion 3, respectivement en sortie de chaque orifice de contrôle, oscillent en déphasage.

Description

Dispositif d'injection d'un combustible ou d'un pré-mélange combustible/comburant comprenant des moyens permettant un contrôle passif des instabilités de combustion
L'invention concerne le domaine de la combustion, et plus particulièrement la combustion dans un système d'injection multipoints.
De manière classique en soi, les systèmes d'injection multipoints sont caractérisés par une chambre de combustion dans laquelle est injecté en plusieurs points un combustible ou un pré-mélange d'un combustible/comburant. La combustion a lieu en aval du système d'injection multipoints.
Le terme « combustible » désignera dans ce qui suit à la fois le combustible mais également le pré-mélange combustible/comburant.
Parmi les différentes instabilités entrant en jeu lors d'une réaction de combustion, intervient en particulier une instabilité dite « instabilité acoustique » qui résulte d'un couplage entre le processus de combustion et l'acoustique du système. Or, de telles instabilités ont un effet néfaste sur le comportement du système ou de l'installation mettant en œuvre une combustion.
Elles interviennent dans le système, sous forme d'ondes. À titre d'exemple, sont susceptibles d'être instables les foyers domestiques de chauffage, les panneaux radiants utilisés dans l'industrie du séchage, les chambres de combustion des turbines à gaz ou encore les moteurs fusée à propergols liquides.
Plus spécifiquement, l'instabilité acoustique apparaît du fait d'un couplage résonant entre les flammes et l'acoustique du système ou de l'installation. En effet, lorsqu'il est soumis à une excitation acoustique (débit et pression instationnaires), le système induit des oscillations du dégagement de chaleur. L'intensité lumineuse émise par les radicaux libres OH*, CH*, C2 * (proportionnelle au dégagement de chaleur) oscille sinusoïdalement autour de la position moyenne. Et la réponse des flammes à l'excitation acoustique conduit à augmenter l'instabilité du système de combustion.
Le couplage entre la combustion et l'acoustique du système peut avoir de graves conséquences avec, notamment, une dégradation des performances et, dans certains cas, des dommages sérieux pour les installations et leur environnement (vibration des structures, extinction de flammes, rayonnement sonore puissant, etc.).
Afin de prévenir les dommages qui peuvent résulter de ce type d'instabilité, des méthodes de contrôle sont utilisées, les méthodes passives étant les méthodes les plus courantes. Parmi celles-ci, il peut être cité une méthode liée à l'utilisation d'« amortisseurs acoustiques ». Les amortisseurs acoustiques consistent en des cavités de type résonateurs de Helmholtz ou de type résonateurs quart d'onde. Ces cavités, placées notamment à la périphérie des chambres de combustion, permettent d'absorber une partie de l'énergie acoustique, de diminuer le facteur de qualité du système et ainsi d'augmenter la taille des plages de stabilité du système. Toutefois, bien qu'efficaces, de telles solutions restent coûteuses en termes d'espace (encombrement important) et de masse de structure.
L'invention vise notamment à pallier les inconvénients de l'art antérieur précédemment décrits en proposant un système de combustion permettant d'éliminer les instabilités de combustion, et plus particulièrement les instabilités liées aux effets thermo-acoustiques du couplage résonant du système mettant en œuvre la combustion.
À cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif d'injection multipoints d'un combustible ou d'un pré-mélange combustible/comburant dans une zone de combustion disposée en aval dudit dispositif de sorte à former des flammes, ledit dispositif comprenant au moins un conduit d'écoulement du combustible ou du pré-mélange vers la zone de combustion et des moyens de contrôle de l'écoulement du combustible ou du pré-mélange débouchant dans la zone de combustion. Le dispositif d'injection selon l'invention est remarquable en ce que les moyens de contrôle sont agencés pour définir, dans le conduit d'écoulement, au moins deux orifices de contrôle présentant un décalage longitudinal déterminé ΔX non nul de sorte que, en réponse à une sollicitation acoustique, les flammes formées dans la zone de combustion, respectivement en sortie de chaque orifice de contrôle, oscillent en déphasage. Lesdits orifices présentent des axes longitudinaux distincts.
Par zone de combustion, on entend une zone réactionnelle confinée, telle une chambre de combustion, ou une zone réactionnelle non confinée.
Selon une première configuration de l'invention, le conduit d'écoulement comprend une pluralité de canaux d'injection de diamètre D pourvus d'une ouverture de sortie dans la zone de combustion et en ce que les moyens de contrôle comprennent des diaphragmes, respectivement disposés transversalement dans chaque canal d'injection associé, les ouvertures desdits diaphragmes formant les orifices de contrôle.
Dans la présente invention, un diaphragme s'entend par une restriction du diamètre des canaux d'injection. Cette restriction peut être directement formée par la paroi interne des canaux, ou bien peut être réalisée par la mise en place d'une plaque perforée à l'intérieur des canaux.
Avantageusement, la moitié des diaphragmes est placée à une distance X1 de l'ouverture de sortie des canaux d'injection associés, l'autre moitié des diaphragmes étant située à une distance X2 de l'ouverture de sortie des canaux d'injection, X2 différent de X1 de sorte à présenter un décalage déterminé ΔX non nul.
Avantageusement, les diaphragmes de la première moitié des injecteurs et ceux de la seconde présentent des orifices de même diamètre d. Il pourra toutefois être prévu présentant des diamètres d'ouverture non identiques.
Selon une deuxième configuration de l'invention, le conduit d'écoulement est pourvu de deux séries de canaux d'injection pourvus respectivement d'une ouverture de sortie dans la zone de combustion, les canaux d'injection de chaque série comprenant une paroi interne présentant un élargissement brusque localisé respectivement à une distance des ouvertures de sortie L12 et L22 différente, lesdits élargissements formant les orifices de contrôle. Les élargissements de chacune des séries de canaux d'injection présentent ainsi un décalage longitudinal non nul.
Avantageusement, les canaux d'injection comprennent une première zone de diamètres D11 et D21 et une deuxième zone de diamètres D12 et D22 supérieurs aux diamètres D11 et D21. La deuxième zone des canaux de la première série d'injecteurs présentant une longueur différente de celle des canaux de la deuxième série d'injecteur. Cette différence de longueur présente un décalage ΔX non nul. Avantageusement, les diamètres D11 et D21 sont identiques (de même pour D12 et D22), l'égalité n'étant pas absolument nécessaire.
Afin d'améliorer la stabilisation du système de combustion pourvu du dispositif de combustion décrit ci-dessus, il peut être également prévu des éléments de tourbillonnement disposés dans les canaux d'injection, en aval desdits moyens de contrôle ou bien, en remplacement ou en combinaison, des éléments de recirculation en forme de tige, s'étendant longitudinalement dans le canal d'injection.
Selon une autre configuration de l'invention, les moyens de contrôle comportent un panneau disposé transversalement dans le conduit d'écoulement, ledit panneau comprenant une surface dans laquelle sont ménagés des puits de manière à former des surfaces transversales décalées les unes par rapport aux autres, chacune des surfaces étant pourvue d'un orifice de contrôle. Les surfaces transversales comprennent la surface du panneau associée au fond des puits. Comme avec les configurations précédentes, il pourra être également avantageux de prévoir au moins un élément de tourbillonnement disposé dans le conduit d'écoulement, en aval desdits moyens de contrôle. Ainsi, les moyens de contrôle de l'écoulement du combustible ou du pré mélange consistent principalement en une variation brusque localisée du diamètre des canaux d'injection de sorte à former, en aval de la variation du diamètre des canaux d'injection, des tourbillons se déplaçant à la vitesse de l'écoulement du combustible ou du pré mélange. Cette variation de diamètre, combinée à une position des variations de chacun des canaux, décalée longitudinalement les unes des autres, conduit à décaler l'oscillation des flammes dans la zone de combustion. Ainsi formée en décalée, les flammes présentent un déphasage permettant de compenser les sollicitations acoustiques.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un système de combustion comprenant une zone de combustion associée à un dispositif d'injection tel que décrit précédemment.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 illustre une vue partielle en coupe d'un système de combustion selon une première configuration de l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle de face du système de combustion de la figure 1 ;
- la figure 3 illustre le système de combustion de la figure 1 fonctionnant en régime stationnaire ;
- les figures 4A et 4B représentent, respectivement à l'instant t et l'instant t+T/2, le système de combustion de la figure 1 fonctionnant en régime forcé ;
- la figure 5 illustre un système de combustion selon une deuxième configuration de l'invention ; - la figure 6 illustre le système de combustion de la figure 5 fonctionnant en régime stationnaire ;
- les figures 7A et 7B représentent, respectivement à l'instant t et l'instant t+T/2, le système de combustion de la figure 5 fonctionnant en régime forcé ;
- la figure 8 illustre une vue en coupe d'un système de combustion selon une troisième configuration de l'invention ;
- la figure 9 illustre le système de combustion de la figure 8 fonctionnant en régime stationnaire ;
- les figures 10A et 10B représentent, respectivement à l'instant t et l'instant t+T/2, le système de combustion de la figure 8 fonctionnant en régime forcé ;
- la figure 11 illustre une vue en coupe d'un système de combustion selon une quatrième configuration de l'invention ;
- figure 12 est une vue partielle de face du système de combustion de la figure 8 ;
- la figure 13 illustre le système de combustion de la figure 12 fonctionnant en régime stationnaire ;
- les figures 14A et 14B représentent, respectivement à l'instant t et l'instant t+T/2, le système de combustion de la figure 12 fonctionnant en régime forcé ;
- la figure 15 illustre une vue en coupe d'un système de combustion selon une cinquième configuration de l'invention ;
- la figure 16 illustre le système de combustion de la figuVe 15 fonctionnant en régime stationnaire ; - les figures 17A et 17B représentent, respectivement à l'instant t et l'instant t+T/2, le système de combustion de la figure 16 fonctionnant en régime forcé ;
- la figure 18 illustre le comportement oscillatoire des flammes en régime stationnaire et en régime forcé dans le système de combustion des figures 1 à 3 et 4A et 4B lorsqu'il ne comporte pas de diaphragme ;
- la figure 19 illustre le signal d'une excitation acoustique et la réponse associée des flammes dans le système de combustion des figures 1 à 3 et
4A et 4B lorsqu'il ne comporte pas de diaphragme ;
- la figure 20 illustre le comportement oscillatoire des flammes en régime stationnaire et en régime forcé dans le système de combustion des figures 1 à 3 et 4A et 4B lorsque le système de combustion comporte des diaphragmes ; et
- la figure 21 illustre le signal d'une excitation acoustique et la réponse associée des flammes dans le système de combustion des figures 1 à 3 et 4A et 4B lorsque le système de combustion comporte des diaphragmes.
En relation avec les figures 1 à 3 et 4A et 4B, il est décrit un système de combustion 1 comprenant une chambre d'admission 2 du combustible et une zone de combustion 3, lesdites zones 2, 3 étant reliées par une pluralité d'injecteurs 4 destinés à injecter dans la zone de combustion 3 le combustible ou un pré-mélange de combustible et de comburant.
Chaque injecteur 4 comprend un canal d'injection 5 du combustible pourvu d'une ouverture d'entrée 6 débouchant dans la chambre d'admission 2 et d'une ouverture de sortie 7 débouchant dans la zone de combustion 3. Le canal d'injection 5 présente avantageusement une section circulaire de diamètre D.
Chaque canal d'injection 5 comprend des moyens permettant le contrôle de l'injection du combustible dans la chambre de combustion 3. De manière générale, le contrôle de l'injection du combustible est réalisé par un changement brusque du diamètre du canal d'injection 5, en un point donné dans la longueur dudit canal. Dans le mode réalisation décrit, le changement de diamètre est réalisé au moyen d'un diaphragme 9 pourvu d'une lumière 10, de préférence centrale. La lumière 10 présente un diamètre d inférieur au diamètre D des canaux d'injection. La lumière 10 ainsi configurée forme un orifice de contrôle 10 du canal d'injection associé. Le diaphragme 9 est disposé transversalement à l'intérieur du canal d'injection 5 de l'injecteur 4.
Dans le mode de réalisation décrit, le système de combustion 1 comporte deux séries d'injecteurs, chaque série se distinguant par la position des diaphragmes 9 dans les canaux d'injection 5 associés. Ainsi, le système de combustion 1 comprend une première série d'injecteurs 4a dont le diaphragme 9 est situé à une distance X1 de l'ouverture de sortie 7 du canal d'injection 5a et une deuxième série d'injecteur 4b dont le diaphragme 9 est situé à une distance X2 de l'ouverture de sortie 7 du canal d'injection 5b (figure 1), la distance X2 étant différente de la distance X1. Ainsi, et comme on peut le voir sur la figure 1 , les diaphragmes 9 sont disposés décalés l'un par rapport à l'autre. Comme on le verra plus loin, ce décalage des diaphragmes permet de déphaser les flammes en sortie respectivement des canaux 5a et 5b des première et deuxième séries d'injecteur 4a, 4b, de sorte à éliminer les effets thermo-acoustiques du couplage « combustion/acoustique » du système de combustion 1.
Le choix des distances X1 et X2 est fonction de la puissance des injecteurs, et donc du diamètre D des injecteurs et du débit du combustible traversant les injecteurs. Plus particulièrement, les distances X1 et X2 sont définies en fonction du rapport du diamètre des orifices de contrôle 10 et des canaux d'injection 5a, 5b (d/D) et du débit moyen par injecteur. Elles sont établies de manière à ce que, lorsque le système de combustion 1 est en régime stationnaire, le combustible, sous forme de jets 8, recolle aux parois des canaux d'injection avant leur sortie par l'ouverture 7 dans la chambre de combustion 3 (figure 3). Une telle configuration permet ainsi de garantir une perte de charge identique pour les deux séries d'injecteurs 4a et 4b, offrant, en régime stationnaire, un débit sortant dans la chambre de combustion 3 égal, quelle que soit la série d'injecteurs.
Les figures 4A et 4B illustrent le comportement du système de combustion 1 lorsque celui-ci est soumis à des perturbations 11 de l'écoulement du combustible, à des instants différents. Comme indiqué précédemment, ces perturbations 11 se traduisent notamment par des fluctuations du débit provenant de la chambre d'admission 2 au passage des injecteurs 4a et 4b. La fréquence f de ces perturbations 11 correspond à l'un des modes propres acoustiques du système de combustion 1. La longueur d'onde associée est généralement grande devant les dimensions de l'injecteur. La présence d'un diaphragme 9 dans les canaux d'injection 5 de chacun des injecteurs 4 impose un transfert entre l'énergie acoustique et l'énergie cinétique de modes hydrodynamiques de l'écoulement. Il en résulte un lâcher de tourbillons annulaires 12 dans la couche de mélange crée par le diaphragme 9. Les oscillations acoustiques du débit provenant de la chambre d'admission 2, se propageant à la vitesse du son, se transforment alors en oscillations hydrodynamiques du débit « transportées » par les tourbillons annulaires 12 à une vitesse proche de celle de l'écoulement moyen laquelle reste très inférieure à la vitesse du son. Le temps mis par les oscillations hydrodynamiques pour atteindre la sortie de chaque canal 5 dépend de la distance entre le diaphragme 9 et la sortie du canal 5.
En disposant des diaphragmes 9 dans des positions décalées dans les canaux d'injection 5, on obtient des délais convectifs différents selon qu'il s'agit de la première série d'injecteurs 4a ou de la deuxième série d'injecteurs 4b. Par délai convectif, on entend le rapport de la distance entre le diaphragme 9 et l'ouverture de sortie d'un canal (Xi) avec la vitesse de propagation d'un tourbillon annulaire 12 (Vt).
Ainsi, pour la première série d'injecteurs 4a, le délai convectif est t = XWt, pour la deuxième série d'injecteurs 4b, le délai convectif est t = X2Λ/t. Un déphasage ΔΦ peut alors être créé entre les injecteurs de la première série 4a et les injecteurs de la deuxième série 4b, où :
Aφ - lpfit t - ^) = M(X1 . χ2) =MDX
Vt Vt
Le décalage ΔX entre les diaphragmes 9 des injecteurs de chaque série 4a et 4b est alors choisi de sorte que, à une fréquence f donnée, la fluctuation de débit acoustique totale au niveau de la chambre d'admission 2 donne des fluctuations hydrodynamiques en opposition de phase d'une série d'injecteurs à l'autre au niveau de la zone de combustion 3.
Le décalage ΔX permet ainsi de découpler les flammes en sortie des injecteurs de première série des flammes en sortie des injecteurs de la deuxième série, et de les déphaser. Un tel déphasage, compensant les sollicitations acoustiques générées dans la chambre d'admission 2, conduit donc à la stabilisation du système de combustion 1. Il est à noter que l'effet stabilisant est obtenu avec un déphasage quelconque dès lors que celui-ci n'est pas nul.
Ainsi, quelle que soit la série d'injecteur, les flammes en régime stationnaire sont identiques (figure 3). A contrario, en régime forcé (sollicitations ou perturbations acoustiques), les flammes présentent un déphasage compensant les sollicitations acoustiques imposés au système de combustion, et ainsi permettent d'empêcher l'apparition d'un mode propre dudit système.
La figure 18 illustre le comportement oscillatoire des flammes en régime stationnaire (photo de gauche) et en régime forcé (les sept photos en partant de la droite) lorsque les canaux d'injection ne comportent pas de diaphragme. Sans compensation hydrodynamique, il peut être observé, en régime forcé, que les flammes formées en sortie des canaux d'injection oscillent en phase. De même, l'intensité lumineuse émise par les radicaux OH*, proportionnelle au dégagement de la chaleur, oscille sinusoïdalement autour de la position moyenne (figure 19, signal représenté le plus haut sur le graphique) en réponse à un signal de haut-parleur (excitation acoustique) (figure 19, signal représenté le plus bas sur le graphique) : les flammes répondent à l'excitation acoustique.
La figure 20 illustre quant à elle le comportement oscillatoire des flammes en régime stationnaire et en régime forcé lorsque les canaux d'injection comportent chacun un diaphragme. Ainsi les canaux pourvus d'une compensation hydrodynamique, il peut être observé une oscillation des flammes en opposition de phase. Par ailleurs, l'intensité lumineuse émise par les radicaux OH*, proportionnelle au dégagement de la chaleur, n'oscille plus autour de la position moyenne (figure 21 , signal représenté le plus haut sur le graphique). Les flammes ne répondent donc plus à l'excitation acoustique figure 21 , signal représenté le plus bas sur le graphique) lorsque les canaux d'injection sont pourvus de diaphragme. Il s'ensuit une stabilité parfaite du système en situation naturelle. Il ressort par ailleurs des figures 19 et 21 que le niveau moyen de dégagement de chaleur est identique à celui lorsque les canaux ne comprennent pas de diaphragme. Le régime naturel n'est donc pas affecté par la présence de diaphragme dans les canaux.
Dans des situations de combustion pré-mélangée, les fluctuations du dégagement de chaleur de flammes sont directement liées aux fluctuations de débit du pré-mélange. Si les fluctuations des débits au niveau de chacune des séries d'injecteurs sont déphasées, les fluctuations de dégagement de chaleur seront aussi déphasées du même déphasage ΔΦ.
II est donné dans ce qui suit, à titre d'exemple, deux exemples de calcul de dimensionnement dans deux situations industrielles différentes.
La première situation est celle d'une injection multipoints présentant des injecteurs de petites dimensions (diamètre D de l'ordre de 2 millimètres) placée dans un système ayant une instabilité naturelle à une fréquence f de l'ordre de 500 Hz. En l'absence de compensation hydrodynamique, i.e. en l'absence de moyen de contrôle d'injection tels que les diaphragmes, le système oscille à la fréquence f de l'ordre de 500 Hz. Afin de supprimer cette instabilité, les canaux d'injection 5a, 5b de chacun des injecteurs 4a, 4b sont pourvus respectivement de diaphragmes 9a, 9b présentant un diamètre d d'ouverture imposant une vitesse de jet V au niveau desdites plaques de l'ordre de 6 m/s. Si la vitesse de propagation des tourbillons annulaires 12 est telle que Vt est de l'ordre de V/2, alors il faut décaler les diaphragmes de contrôle de la première série d'injecteurs avec ceux de la deuxième série d'injecteurs de 3 millimètres (ΔX = V/4f).
La deuxième situation est celle d'une injection multipoints présentant des injecteurs de grandes dimensions (diamètre D de l'ordre de 30 millimètres) placée dans un système ayant une instabilité naturelle à une fréquence f de l'ordre de 150 Hz.. En l'absence de compensation hydrodynamique, cette géométrie présente une instabilité naturelle à une fréquence f de l'ordre de 150 Hz. Afin de supprimer cette instabilité, les canaux de chaque injecteur sont pourvus de diaphragmes de contrôle présentant un diamètre d imposant une vitesse de jet V au niveau des diaphragmes de contrôle de l'ordre de 15 m/s. En conséquence, il faut décaler les plaques de contrôle de la première série d'injecteurs de la deuxième série d'injecteurs de 30 millimètres.
D'autres configurations des moyens de contrôle de l'écoulement du combustible dans la chambre de combustion, présentant les mêmes avantages et caractéristiques que les diaphragmes de contrôle décrits précédemment, peuvent être prévues.
En particulier, il peut être prévu des injecteurs 4 dont les canaux d'injection 5 soient respectivement pourvus d'une variation brusque de diamètre (figures 5, 6,
7A et 7B). Plus particulièrement, lesdits canaux présentent un élargissement brusque 13, en un point donné de la longueur du canal 5, dans le sens de l'écoulement du jet 8. De même que pour les diaphragmes de contrôle, le dispositif d'injection comprendra au moins deux séries d'injecteurs 4a, 4b, les injecteurs d'une série se distinguant d'une autre série par l'emplacement dans les canaux associés 5a, 5b de l'élargissement du canal. Ainsi :
- les canaux 5a des injecteurs d'une première série 4a comprennent une première zone d'écoulement de diamètre D1 et de longueur L11 et une deuxième zone d'écoulement 14 de diamètre D2 et de longueur L12, D2 étant supérieur au diamètre D1 ; et
- les canaux 5b des injecteurs d'une deuxième série 4b comprennent, quant à eux, une première zone d'écoulement de diamètre D1 et de longueur L21 et une deuxième zone d'écoulement 14 de diamètre D2 et de longueur L22,
D22 étant supérieur au diamètre D21 , et L21 étant différente de la longueur
L11.
Ce décalage de l'emplacement de la variation de diamètre d'un injecteur à un autre permet, comme précédemment, de compenser en régime forcé les sollicitations acoustiques du système de combustion 1.
Comme précédemment, la position de l'élargissement des canaux 5a, 5b, ainsi que sa position décalée d'un injecteur d'une série à un autre, sont prévues de sorte qu'en régime stationnaire, la perte de charge soit quasiment identique. En d'autres termes, les jets 8 du combustible devront avoir recollés la paroi des canaux préalablement à leur sortie dans la zone de combustion 3, les flammes dans la zone de combustion étant alors identiques quelle que soit la série d'injecteurs 5a ou 5b (figures 5 et 6).
Les figures 7A et 7B illustrent la réponse des injecteurs 4a, 4b de chacune des séries lorsque ces derniers sont soumis à des sollicitations acoustiques en provenance de la chambre d'admission 2 (régime forcée). Du fait de l'élargissement brusque des canaux, des tourbillons annulaires 12 sont formés dans la zone d'écoulement 14. Le canal de l'injecteur de la première série comprenant un élargissement situé en aval de celui du canal de l'injecteur de la deuxième série, les flammes 15 formées en sortie desdits injecteurs présentent un déphasage qui permet, comme nous l'avons vu précédemment, de compenser les sollicitations acoustiques en provenance de la chambre d'admission 2. Les figures 7A et 7B illustrent plus particulièrement les flammes 15 en sortie des injecteurs de première et deuxième série à l'instant t et à l'instant t+T/2, celles-ci étant en opposition de phase. Le dimensionnement de la différence L12-L22 (c'est-à-dire ΔX) se fait avec la même formule mathématique que celle qui est utilisée dans la première situation. Une telle configuration est particulièrement adaptée pour les céramiques perforées des brûleurs à panneaux radiants dont les canaux d'injection sont de petites dimensions.
II peut être également prévu de disposer des diaphragmes 9 de contrôle dans les canaux d'injection en amont des éléments de tourbillonnement 17 (figures 8, 9 et 10A et 10B). Ces éléments permettent de créer des zones dépressionnaires dans la zone 3, favorables à l'accrochage des flammes.
Dans d'autres cas de configurations d'injecteurs multipoints de grande dimension, il peut être avantageux de disposer également dans les canaux d'injection un obstacle (« bluff body ») servant d'accroche-flamme. L'obstacle 18 illustré sur les figures 11 à 13 et 14A et 14B consiste en une tige coaxiale, s'étendant longitudinalement dans le canal. Cette tige permet d'établir une zone de recirculation de l'écoulement propice à la stabilisation spatiale de la flamme.
Sur les figures 15, 16 et 17A et 17B, les moyens de contrôle consistent en un panneau 19 disposé transversalement dans un conduit d'écoulement 20 reliant une chambre d'admission 21 à une zone 22 où s'opère la combustion. Le panneau 19 comprend une surface 23 dans laquelle sont ménagés des puits 24 de manière à former des surfaces transversales 23, 25 décalées les unes par rapport aux autres. Chacune des surfaces 23, 25 est pourvue d'un orifice de contrôle 26.
L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'injection multipoints d'un combustible ou d'un pré-mélange combustible/comburant dans une zone de combustion disposée en aval dudit dispositif de sorte à former des flammes, le dispositif comprenant au moins un conduit d'écoulement du combustible ou du pré-mélange vers la zone de combustion et des moyens de contrôle de l'écoulement du combustible ou du pré-mélange débouchant dans la zone de combustion, caractérisé en ce que les moyens de contrôle sont agencés pour former une variation brusque localisée du diamètre du conduit d'écoulement définissant, dans le conduit d'écoulement, au moins deux orifices de contrôle présentant un décalage longitudinal déterminé ΔX non nul et créant, en régime forcé, des tourbillons annulaires en aval de la variation du diamètre, de sorte que, en réponse à une sollicitation acoustique, les flammes formées dans la zone de combustion, respectivement en sortie de chaque orifice de contrôle, oscillent en déphasage.
2. Dispositif d'injection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le conduit d'écoulement comprend une pluralité de canaux d'injection pourvus d'une ouverture de sortie dans la zone de combustion et en ce que les moyens de contrôle comprennent des diaphragmes respectivement disposés transversalement dans un canal d'injection associé, les ouvertures desdits diaphragmes formant les orifices de contrôle.
3. Dispositif d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que la moitié des diaphragmes est placée à une distance X1 de l'ouverture de sortie des canaux d'injection associés, l'autre moitié étant située à une distance X2 de l'ouverture de sortie des canaux d'injection, X2 différent de X1 de sorte à présenter un décalage déterminé ΔX non nul.
4. Dispositif d'injection selon la revendication . 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les diaphragmes présentent un diamètre d'ouverture identique.
5. Dispositif d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d'écoulement est pourvu de deux séries de canaux d'injection pourvus respectivement d'une ouverture de sortie dans la zone de combustion, les canaux d'injection de chaque série comprenant une paroi interne présentant un élargissement brusque localisé respectivement à une distance des ouvertures de sortie L12 et L22 différente de sorte à présenter des élargissement décalés longitudinalement, lesdits élargissements formant les orifices de contrôle.
6. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des éléments de tourbillonnement disposés dans les canaux d'injection, en aval desdits moyens de contrôle.
7. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des éléments de recirculation en forme de tige, s'étendant longitudinalement dans le canal d'injection.
8. Dispositif d'injection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de contrôle comportent un panneau disposé transversalement dans le conduit d'écoulement, ledit panneau comprenant une surface dans laquelle sont ménagés des puits de sorte à former des surfaces transversales décalées les unes par rapport aux autres, chacune des surfaces étant pourvue d'un orifice de contrôle.
9. Dispositif d'injection selon la revendication 1 ou la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de tourbillonnement disposé dans le conduit d'écoulement, en aval desdits moyens de contrôle.
10. Système de combustion comprenant une zone de combustion associée à un dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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