FR2491140A1

FR2491140A1 - Dispositif de modification de l'ecoulement d'un fluide

Info

Publication number: FR2491140A1
Application number: FR8118512A
Authority: FR
Inventors: James Samuel Kelm; Edward Charles Vickers; Jesse Junior Williams; Jack Rogers Taylor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1981-10-01
Publication date: 1982-04-02
Also published as: FR2491140B1; GB2085146A; US4534166A; DE3138614C2; DE3138614A1; IT1139181B; JPH0577928B2; GB2085146B; JPS5787537A; IT8124229A0

Abstract

DISPOSITIF MODIFIANT A LA FOIS LE DEBIT ET L'ANGLE DE DECHARGE DU FLUIDE. IL COMPREND: A.UN PREMIER ELEMENT 23, A POSITION FIXE ET AYANT AU MOINS UNE OUVERTURE 24 REGARDANT DE MANIERE GENERALE AXIALEMENT; B.UN SECOND ELEMENT 29, AXIALEMENT CONTIGU AU PREMIER ELEMENT 23 ET AYANT AU MOINS UNE FENTE 33 REGARDANT DE MANIERE GENERALE AXIALEMENT ET POUVANT COMMUNIQUER AVEC L'OUVERTURE 24, LE SECOND ELEMENT 29 POUVANT ETRE CALE PAR RAPPORT AU PREMIER ELEMENT 23 POUR FAIRE AINSI VARIER LE DEBIT ET LA DIRECTION DE DECHARGE DU FLUIDE SORTANT DE CE DISPOSITIF 22 MODIFIANT L'ECOULEMENT; ET C.UN MOYEN PERMETTANT DE CALER LE SECOND ELEMENT 29. APPLICATION AUX INJECTEURS A TURBULENCE POUR MOTEUR A TURBINE A GAZ.

Description

1 2491140

L'invention concerne, d'une manière générale,

des dispositifs modifiant l'écoulement et, plus particu-

lièrement, un dispositif nouveau et amélioré modifiant l'écoulement d'un fluide, qui permet de faire varier le débit et la direction du fluide sortant de ce dispositif. Pour faire varier le rapport carburant/air dans l'injecteur à turbulence d'un moteur à turbine à gaz, une méthode consistait à utiliser un système d'obturation pour ouvrir et fermer des prises d'air dont les ouvertures sont

normales au flux d'air comprimé sortant du compresseur.

Mais ces systèmes d'obturation n'ont souvent pas de posi-

tions intermédiaires entre les positions d'ouverture et de fermeture. De plus, s'ils peuvent faire varier la quantité d'air pénétrant dans la chambre de combustion, ils sont

capables de produire une variation correspondante de l'an-

gle de turbulence de l'air. Un autre inconvénient des sys-

tèmes d'obturation o les ouvertures des prises d'air sont

normales à l'air sortant du compresseur est que l'air com-

primé exerce des contraintes élevées directement sur les éléments du système d'obturation. Pour éviter les fuites et empêcher les dommages, il faut fabriquer ces éléments pour

qu'ils résistent à ces contraintes, et ceci peut se tra-

duire par une augmentation de prix et de poids.

Suivant une de ses réalisations, la présente invention consiste en un dispositif modifiant l'écoulement qui fait varier le débit et la direction de décharge d'un fluide sortant de ce dispositif. Le dispositif est du type

agencé pour recevoir un fluide de manière générale radiale-

ment et décharger un fluide de manière générale axialement.

Il comporte un premier élément, à position fixe, ayant au

moins une ouverture regardant de manière générale axiale-

ment et un second élément, réglable, axialement contigu au premier élément et ayant au moins une fente regardant de manière générale axialement et pouvant communiquer avec l'ouverture du premier élément, l'ouverture et la fente ayant pour effet, à différentes positions relatives, de faire varier le débit et la direction de sortie du flux de fluide qui les traverse. Le dispositif comporte aussi un moyen permettant de caler le second élément par rapport

au premier.

Dans une réalisation particulière du dispositif, le premier élément consiste en une plaque annulaire ayant des ouvertures orientées radialement et le second élément

consiste en plusieurs aubes reliées entre elles.

Le moyen permettant de caler le second élément

peut consister en un bras de commande relié au second élé-

ment.

La description qui va suivre se réfère aux figu-

res annexées, qui représentent respectivement figure 1, une vue partielle, en coupe, d'une

chambre de combustion et d'un injecteur à turbulence met-

tant en oeuvre les caractéristiques de la présente inven-

tion; figure 2, une vue en coupe d'un injecteur à turbulence faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1; et figures 3 à 5, des vues partielles, en coupe, de l'injecteur à turbulence faites suivant la ligne 3-3 de la figure 2 et montrant différentes positions relatives de

la plaque et des aubes.

Si l'on considère maintenant les dessins, et plus particulièrement la figure 1, on y voit la partie amont d'une chambre de combustion 20 d'un moteur à turbine à gaz. Un mélange d'air et de carburant pénètre dans la chambre de combustion 20 et y est brûlé. L'énergie qu'on prélève sur les gaz éjectés sert à fournir un travail, par

exemple faire tourner une turbine (non représentée).

Le carburant destiné à la combustion est intro-

duit par la buse d'injection 21 de carburant sous pression.

Au fur et à mesure que le carburant sort de la buse d'in-

jection 21, il se mélange à de l'air dans l'injecteur 22 à turbulence et le mélange ainsi produit pénètre dans la chambre de combustion 20 pour y être brûlé. L'injecteur 22

communique un mouvement de turbulence à l'air qui le tra-

verse et, par conséquent, au carburant sortant de la buse

d'injection 21 et se mélangeant à l'air; ce mouvement pro-

voque l'atomisation du carburant, assurant ainsi un meil-

leur mélange. La présente invention consiste en un dispositif modifiant l'écoulement, tel qu'un injecteur 22 à turbulence,

qui reçoit une partie au moins de son fluide dans une direc-

tion de manière générale radiale, décharge ce fluide dans une direction de manière générale axiale et peut faire varier le débit et la direction de sortie du fluide, tel que l'air, qui le traverse. On entend par "radial": dans une direction de manière générale perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'injecteur, représenté par la ligne en

trait interrompu 27. On entend par "axial": dans une direc-

tion de manière générale parallèle à l'axe longitudinal 27 de l'injecteur. Le dispositif modifiant le débit, tel que l'injecteur 22, comporte un premier élément, à position fixe et ayant au moins une ouverture regardant de manière

générale axialement, et un second élément, axialement con-

tigu au premier, que l'on peut caler par rapport au premier et qui a au moins une fente regardant de manière générale

axialement et pouvant communiquer avec l'ouverture du pre-

mier élément.

Dans une réalisation particulière de l'invention, le premier élément (cf. figures 1 et 2) consiste en une plaque 23, alignée radialement et sensiblement annulaire, et les ouvertures consistent en plusieurs ouvertures 24 orientées radialement. Comme on peut le voir sur la figure 3, les parties de la plaque 23 circulairement contiguës à chacune des ouvertures 24 comportent de préférence au moins une surface 25a ou 25b, orientée radialement, qui se trouve dans un plan incliné par rapport à l'axe longitudinal 27 de l'injecteur 22 à turbulence. Comme on le verra plus loin, dans certaines positions relatives du premier et du second élément, les surfaces 25a et 25b déterminent l'angle de turbulence communiqué à l'air à sa sortie de l'injecteur 22. Ainsi, l'angle que font avec l'axe longitudinal 27 les

surfaces 25a et 25b dépend du degré de turbulence souhaité.

Comme on peut-le voir sur la figure 3, la forme recommandée que doivent avoir en coupe les parties de la plaque 23 contiguës à chaque ouverture 24 est celle d'un hexagone à côtés opposés parallèles deux à deux, qui sont la trace de surfaces orientées radialement: 25a et 25b, 26a et 26b, et 28a et 28b. Mais on peut utiliser d'autres formes si on le

souhaite.

Comme on peut le voir sur les figures i et 2, le second élément est sensiblement annulaire et consiste en un ensemble 29 d'aubes comprenant plusieurs aubes 30 orientées radialement, qui sont reliées entre elles, à leur extrémité

radialement intérieure et à leur extrémité radialement exté-

rieure, respectivement aux élémients annulaires 31 et 32.

Les aubes 30 sont disposées de telle façon qu'une fente 33

orientée radialément se trouve entre chaque paire d'aubes.

Comme on le voit le mieux sur la figure 3, les

surfaces orientées radialement 34 et 35 délimitent les fen-

tes 33, et l'angle que font ces surfaces avec l'axe longi-

tudinal 27 de l'injecteur à turbulence détermine, au moins en partie, l'angle de turbulence communiqué à l'air à sa sortie de l'injecteur 22. Il faut donc prédéterminer cet angle suivant le degré de turbulence voulu. Pour des raisons exposées plus loin, la distance entre les surfaces 34 et 35

d'aubes 30 successives est sensiblement la même que la lar-

geur de la surface 28a de la plaque 23, et les surfaces 34 et 35 des aubes 30 sont parallèles aux surfaces 26a et 26b

de la plaque 23.

Càmme on peut le voir sur la figure 1, l'injec-

teur 22 à turbulence comporte une partiecentrale 36 creuse, qui est de manière générale annulaire. La portion amont de la partie centrale 36 est orientée de manière générale radialement, car elle se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal 27 de l'injecteur. La partie centrale 36

est courbe, si bien que sa portion aval, placée radiale-

ment vers l'intérieur par rapport à la plaque 23 et à l'ensemble 29 d'aubes et pouvant faire partie de la plaque

23 ou être fixée sur elle, est orientée de manière géné-

rale axialement. L'ensemble 29 d'aubes et la portion amont de la partie centrale 36 délimitent une entrée d'air 37 annulaire regardant radialement par laquelle une partie

de l'air nécessaire à la combustion pénètre dans l'injec-

teur. Le fait que l'air pénètre dans la portion variable de l'injecteur 22 (c'est-à-dire dans la portion o se

trouvent l'ensemble 29 d'aubes et la plaque 23) perpendicu-

laitement à l'axe et non parallèlement à celui-ci est inté-

ressant, parce que l'ensemble d'aubes et la plaque sont ainsi protégés par la portion amont de la partie centrale 36 contre les contraintes qu'exercerait sur eux un flux

direct d'air comprimé. La portion amont de la partie cen-

trale 36 peut comporter un disque annulaire 39, aligné radialement, qui peut en faire partie ou être fixé sur elle. Le carburant nécessaire à la combustion sort de la

buse d'injection 21 (qui passe dans un vide du disque annu-

laire 39 de la portion amont de la partie centrale 36) et circule dans l'intérieur creux de la partie centrale 36

avant de pénétrer dans la chambre de combustion. L'injec-

teur peut aussi comporter, dans le disque annulaire 39 de

la portion amont de la partie centrale 36, plusieurs con-

duits pour fluide, tels que les venturis 38, par lesquels de l'air ayant auparavant une direction de manière générale axiale pénètre et se mélange au carburant. Ainsi, avec cette disposition, le premier mélange de l'air et du carburant se produit à l'intérieur de la partie centrale 36, au fur et à

mesure que l'air sortant des venturis 38 se mélange au car-

burant sortant de la buse d'injection 21. Ensuite, lorsque ce mélange sort de la partie centrale 36, il se mélange encore avec de l'air venant des entrées d'air 37 radiales

et ayant traversé l'ensemble 29 d'aubes et la plaque 23.

C'est le débit et la direction de décharge de la seconde source d'air, c'est-à-dire de l'air pénétrant radialement dans l'injecteur et traversant l'ensemble 29 d'aubes et la

plaque 23, que la présente invention permet de faire varier.

La modification du débit et de la direction de décharge (ou angle de turbulence) de l'air sortant de l'in- jecteur 22 à turbulence s'obtient en calant, de préférence par rotation, le second élément, tel que l'ensemble 29 d'aubes, par rapport au premier élement, tel que la plaque 23. L'ensemble 29 d'aubes peut, par montage, tourner sur la partie centrale 36 de l'injecteur. Le moyen permettant de caler le second élément consiste de préférence en au moins un bras de commande 40 actionnable, relié au second élément (cf. figures l et 2). La portion radialement extérieure du bras de commande 40 est reliée à un dispositif qui met en

mouvement le bras de commande. Par exemple, le bras de com-

mande 40 peut être relié à un anneau de couplage 41 par une rotule 42. Un anneau de couplage 41 peut être relié à d'autres bras de commande 40 associés à d'autres injecteurs de la chambre de combustion du moteur, si bien que la mise

en mouvement de tous ces bras de commande est simultanée.

L'extrémité radialement intérieure du bras de

commande 40 est reliée de préférence à l'ensemble 29 d'au-

bes par une charnière 43. L'emploi d'une charnière 43 per-

met la rotation de l'ensemble 29 d'aubes même en cas de défaut d'alignement axial entre l'ensemble 29 d'aubes et l'anneau de couplage 41. On voit sur la figure 2 que la charnière 43 peut comporter des cales d'épaisseur 44, qui permettent de prérégler la position circulaire du bras de commande 40, pour mettre en correspondance la position de ce bras de commande avec celles d'autres bras de commande

qui pourraient être reliés à l'anneau de couplage 41.

L'injecteur 22 à turbulence est relié à l'extré-

mité amont de la chambre de combustion 20 par tout moyen approprié, par exemple en soudant ou boulonnant des brides

45, partant de la plaque 23, sur une chemise 47 de la cham-

bre de combustion. De même, l'anneau de couplage 41 peut

être supporté par tout moyen convenable, tel qu'un roule-

ment (48) à rouleaux et une console 46 de support.

Le dispositif modifiant l'écoulement décrit ci-

dessus est donc un dispositif relativement simple et bon marché pour faire varier le débit et la direction de

décharge de l'air pénétrant dans la chambre de combustion.

Cette réalisation du dispositif modifiant l'écou-

lement fonctionne comme suit: La figure 3 représente l'injecteur à turbulence en position d'ouverture. L'ensemble 29 d'aubes occupe une position telle que les surfaces 34 et 35 des aubes 30 sont respectivement alignées avec les surfaces 26a et 26b de la

plaque 23. Dans ces conditions, les fentes 33 de l'ensem-

ble 29 d'aubes sont alignées avec les ouvertures 24 de la

plaque 23, si bien qu'il y passe le débit d'air maximum.

La direction suivie par l'air à sa sortie des fentes 33 et des ouvertures 24, autrement dit son angle de turbulence, est déterminée par l'angle que font avec l'axe longitudinal 27 de l'injecteur les surfaces 34, 35, 26a et 26b, qui sont

de préférence parallèles.

La figure 4 représente l'ensemble 29 d'aubes

après sa mise en place par rotation sur une position inter-

médiaire. Une partie de l'air passant dans chacune des

fentes 33 de l'ensemble 29 d'aubes vient buter sur une sur-

face 25b de la plaque 23, qui la fait dévier. Cette partie de l'air oblige le reste de l'air traversant la fente 33 à

dévier également et à passer sur la surface 25a voisine.

Plus la rotation qui a écarté l'ensemble 29 d'aubes de la position d'ouverture de la figure 3 est importante, plus l'angle de décharge, ou angle de turbulence, que fait le flux d'air avec l'axe longitudinal 27 de l'injecteur à

turbulence est grand.

Au fur et à mesure que l'ensemble 29 d'aubes dépasse par rotation la position intermédiaire de la figure 4, la surface 28a de la plaque 23 commence à obturer une partie de la fente 33. Plus l'obturation due à la surface

28a est importante, moins il passe d'air dans la fente 33.

La figure 5 représente l'ensemble 29 d'aubes après sa mise en place par rotation sur la position de fermeture. Les surfaces 28a de la plaque 23 obturent les fentes 33, si bien qu'il ne peut pratiquement pas passer d'air dans les

fentes 33 ou les ouvertures 24. Quand l'ensemble 29 d'au-

bes est en position de fermeture, le seul air pénétrant dans la chambre de combustion à travers l'injecteur 22 à turbulence est celui, fourni par les venturis 38, qui

passe par l'intérieur de la partie centrale 36 de l'injec-

teur <cf. figure 1). Bien entendu, on peut placer l'ensem-

ble 29 d'aubes sur un grand nombre de positions intermé-

diaires entre la position d'ouverture et la position de fermeture. On se rend donc compte que la mise en position par rotation du second élément, ou ensemble 29 d'aubes, par rapport au premier élément, ou plaque 23, permet de

faire varier le débit et la direction de décharge de l'air.

sortant de l'injecteur à turbulence. Ainsi, on peut faire varier le rapport carburant/air du mélange carburant/air dans la chambre de combustion 20 et on peut, parallèlement, modifier l'angle de turbulence qu'a l'air au moment de son mélange avec le premier mélange carburant/air. Il en résulte une amélioration du rendement de la chambre de combustion, une réduction des effluents gazeux indésirables et une amélioration du mélange carburant/air et de sa répartition

dans la chambre de combustion.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (22) modifiant l'écoulement, du type agencé pour recevoir un fluide de manière générale radialement et décharger un fluide de manière générale axialement, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: a. un premier élément (23), à position fixe et ayant au moins une ouverture (24) regardant de manière générale axialement; b. un second élément (29), axialement contigu au premier élément (23) et ayant au moins une fente (33)

regardant de manière générale axialement et pouvant commu-

niquer avec l'ouverture (24), le second élément (29) pou-

vant être calé par rapport au premier élément (23) pour faire ainsi varier le débit et la direction de décharge

du fluide sortant de ce dispositif (22) modifiant l'écou-

lement; et

c. un moyen permettant de caler le second élé-

ment (29).

2. Dispositif suivant la revendication 1, carac-

térisé en ce que le premier élément (23) et le second élé-

ment (29) sont tous deux de forme sensiblement annulaire.

3. Dispositif suivant la revendication 2, carac-

térisé en ce que le calage du second élément (29) par

rapport au premier élément (23) se fait par rotation.

4. Dispositif suivant la revendication 3, carac-

térisé en ce que le premier élément (23) consiste en une plaque (23) sensiblement annulaire, alignée radialement, et en ce que les ouvertures (24) consistent en plusieurs

ouvertures (24) s'étendant radialement.

5. Dispositif suivant la revendication 4, carac-

térisé en ce que les parties de la plaque (23) circulaire-

ment voisines de chacune des ouvertures (24) comportent au moins une surface (26a, 26b) orientée radialement qui se

trouve dans un plan incliné par rapport à l'axe longitu-

dinal (27) du dispositif.

6. Dispositif suivant la revendication 5,

caractérisé en ce que la coupe axiale de chacune des par-

ties de la plaque (23) voisines des ouvertures (24) a de manière générale la forme d'un hexagone à côtés opposés

parallèles deux à deux (25a,25b; 26a,26b; 28a,28b).

7. Dispositif suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que le second élément (29) consiste en un ensemble (29) d'aubes comprenant plusieurs aubes (30),

orientées radialement et reliées entre elles, qui délimi-

tent entre elles plusieurs fentes (33).

8. Dispositif suivant la revendication 7, carac-

térisé en ce que les surfaces (34,35) orientées radiale-

ment des aubes (30) qui délimitent les fentes (33) sont

inclinées par rapport à l'axe longitudinal (27) du dispo-

sitif.

9. Dispositif suivant la revendication 2, et consistant en outre en une partie centrale (36) creuse, de manière générale annulaire, qui se trouve radialement vers l'intérieur par rapport au premier et au second élément

(23,29).

10. Disrositif suivant la revendication 9, carac-

térisé en ce qu'une portion amont de la partie centrale

(36) est orientée de manière générale radialement et déli-

mite avec le second élément (29) une entrée d'air (37) annu-

laire radiale.

11. Dispositif suivant la revendication 3, carac-

térisé en ce que le moyen permettant de caler le second élément (29) consiste en au moins un bras de commande (40)

actionnable relié au second élément (29).

12. Dispositif suivant la revendication 11, carac-

térisé en ce que le bras de commande (40) est relié au

second élément (29) par une charnière (43).

13. Dispositif suivant la revendication 12, et consistant en outre en un anneau de couplage (41) dont le

rôle est de relier plusieurs bras de commande (40).

14. Injecteur (22) à turbulence, du type agencé pour recevoir de l'air de façon générale radialement et

décharger cet air de manière générale axialement, injec-

teur consistant en:

a. une plaque (23) sensiblementannulaire, ali-

gnée radialement et à position fixe, ayant plusieurs ouver-

tures (24) orientées radialement, les parties de la plaque (23) circulairement contiguës à chacune des ouvertures (24)

comprenant au moins une surface (26a,26b) orientée radiale-

ment qui se trouve dans un plan incliné par rapport à l'axe longitudinal (27) de l'injecteur; b. un ensemble (29) d'aubes, axialement contigu

à la plaque (23), comprenant plusieurs aubes (30), orien-

tées radialement et reliées entre elles, qui délimitent entre elles plusieurs fentes (33) pouvant communiquer avec

les ouvertures (24), les surfaces (34,35) orientées radia-

lement des aubes (30) qui délimitent les fentes (33) étant

inclinées par rapport à l'axe longitudinal (27) de l'injec-

teur (22), l'ensemble (29) d'aubes pouvant être calé par rotation par rapport à la plaque (23) pour faire ainsi varier le débit et la direction de décharge de l'air sortant de l'injecteur (22); c. une partie centrale (36), de manière générale

annulaire, dont une portion aval, orientée de manière géné-

rale axialement, se trouve radialement vers l'intérieur par rapport à la plaque (23) et à l'ensemble (29) d'aubes, et dont une portion amont est traversée par un canal (38), destiné à recevoir de l'air venant dans une direction axiale, et par un vide destiné à recevoir un fluide à mélanger avec de l'air, cette portion amont de la partie centrale (36) délimitant avec l'ensemble (29) d'aubes une entrée d'air (37) annulaire regardant radialement; et d. un moyen permettant de caler par rotation

l'ensemble (29) d'aubes.

15. Injecteur suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le moyen permettant de caler par rotation l'ensemble (29) d'aubres consiste en un bras de

commande (40) actionnable relié à l'ensemble (29) d'aubes.