FR2608214A1 - Dispositif d'injection de carburant, notamment pour une chambre de combustion d'une turbine a gaz pour le melange carburant-air - Google Patents
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Abstract
A) DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT, NOTAMMENT POUR UNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UNE TURBINE A GAZ POUR LE MELANGE CARBURANT-AIR; B) CARACTERISE EN CE QUE LA DOUILLE 5 EST CONFORMEE EN BUSE ET QU'UN AUTRE DISPOSITIF D'AMENEE D'AIR 8 MEDIAN EST DISPOSE ENTRE UN DISPOSITIF INTERIEUR 6 ET EXTERIEUR 11 D'AMENEE D'AIR ET DONT LA SECTION DE CANAL D'AIR SE RETRECIT DANS LA DIRECTION DE L'ECOULEMENT, AVEC LA SECTION LA PLUS ETROITE, A UNE ARETE DE DECOLLEMENT 10 DE LA DOUILLE 5, ET PROJETTE UN BROUILLARD DE CARBURANT S'EFFECTUANT AVANTAGEUSEMENT SOUS UN ANGLE FAVORABLE DE 50 A 80 PAR RAPPORT A L'AXE MEDIAN, DANS LA CHAMBRE DE CARBURANT; C) L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT, NOTAMMENT POUR UNE CHAMBRE DE COMBUSTION D'UNE TURBINE A GAZ POUR LE MELANGE CARBURANT-AIR.
Description
2 6 0 8 2 1 4.
DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT, NOTAMMENT POUR UNE CHAMBRE
DE COMBUSTION D'UNE TURBINE A GAZ POUR LE MELANGE CARBURANT-AIR
L'invention concerne un dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion d'une turbine à gaz, pour le mélange du carburant et de l'air comprimé, avec une douille disposée à l'aval de l'écoulement d'un injecteur, sur laquelle un film de carburant est apporté, avec un dispositif d'amenée d'air intérieur et extérieur, pour deux écoulements d'air d'une rotation induite à contre sens autour de la douille,
pour vaporiser le carburant.
Un tel injecteur de carburant est connu selon le document US-PS 3 703 259, dans lequel un injecteur de forme annulaire est entouré d'un dispositif axial d'amenée d'air et qui confère une rotation dans le sens périphérique à un écoulement d'air axial. De par cette rotation et la rotation de même sens qui est délivrée au carburant par les injecteurs, une grande partie du carburant est centrifugée à la surface intérieure d'une douille qui est située en aval dans l'écoulement, o celui-ci forme un film de carburant. Un autre dispositif d'amenée d'air disposé radialement exterieurement à la douille confère à un écoulement d'air une rotation de sens opposée à l'écoulement d'air s'écoulant à l'intérieur de la douille, De- ce fait, le film de carburant se trouvant sur l'arête de décollement de la douille est pulvérisé par une couche de cisaillement turbulente des
écoulements d'air concentriquement opposés.
Dans le cas d'une compression élevée de l'air amené, l'angle d'ouverture du carburant projeté est très important du fait de la forte rotation de l'écoulement d'air extérieur et la masse principale du carburant est véhiculée de manière correspondante, loin vers l'extérieur radialement. Il peut de ce fait arriver trop de carburant au voisinage de la paroi arrière de tube à flamme, faisant que peuvent survenir des surchauffes de celui-ci ou bien toutefois, suivant l'apport d'air disponible, une
formation de coke.
Il peut en outre se produire des instabilités, du fait de l'interaction des écoulements.concentriques, faisant qu'une zone de recirculation induite par la rotation peut
s'affaiblir par à-coups à l'intérieur de la chambre de combustion.
Une possibilité d'éviter ceci se présente effectivement en donnant une forme plus longue à la douille avec l'arête de décollement. Toutefois on obtiendrait de ce fait une zone de décollement sur la bordure extérieure de l'arête de décollement, du fait que l'écoulement d'air extérieur s'appuierait sur sa paroi extérieure de canal, du fait de sa rotation. Il se forme dans ce cas dans la zone de décollement un anneau de carburant, duquel de temps en temps de grosses gouttes de carburant seraient centrifugées radialement vers l'extérieur. En outre, les gouttes préparées seraient plus grosses et conduiraient à une plus
mauvaise qualité de combustion.
Si par contre l'angle d'ouverture du carburant projeté est trop limité, il en résulte une plus longue zone primaire de la combustion et cela conduit ainsi petit à petit à une répartition plus mauvaise de la température de sortie et à
une combustion plus mauvaise.
Le but de l'invention est d'éviter ces incon-
vénients et de créer un dispositif d'injection de carburant qui projette le carburant avec une bonne pulvérisation, pour les hauts
rapports de compression, avantageusement dans une zone de 50 -
80 par rapport à l'axe médian, faisant qu'est induit dans la chambre de combustion un écoulement de recirculation à
rotation induite.
Le problème est résolu selon l'invention, caractérisé en ce que la douille est conformée en buse et qu'un autre dispositif d'amenée d'air médian est disposé entre un dispositif intérieur et extérieur d'amenée d'air et dont la section de canal d'air se rétrécit dans la direction de écoulement, avec la section la plus étroite, à une arête de
décollement de la douille, lequel conduit un débit d'air radiale-
ment en dehors de la douille et radialement, à l'intérieur du dispositif extérieur d'amenée d'air et qui s'écoule autour de l'arête de décollement de la douille sans décollement, et projette un brouillard de carburant s'effectuant avantageusement sous un angle favorable, de 50 à 80 par rapport à l'axe médian,
dans la chambre de combustion.
De par l'introduction du troisième écoulement d'air, est conférée la double fonction exercée jusqu'alors par l'écoulement extérieur en rotation, à savoir induire une zone de recirculation dans le tube à flamme et pulvériser le carburant par le léchage extérieur de l'arête de décollement. Le dispositif d'amenée d'air situé le plus extérieurement radialement provoque à cet effet la formation d'une zone de recirculation stable, qui remplit également, sans décollement, les coins de la tête du tube de flamme, après l'agrandissement non continu de section du dispositif d'injection dans le tube de flamme, par l'éclatement
radial du débit d'air.
La pulvérisation du carburant injecté, sur une douille, s'effectue par l'action combinée du débit d'air à rotation induite s'écoulant à l'intérieur de la douille, avec le troisième écoulement d'air véhiculé par le dispositif médian d'amenée d'air, selon l'invention, qui s'écoule à haute vitesse d'écoulement, sans décollement autour et à l'extérieur de la douille. A cette occasion, la haute vitesse découlement est imputer au fait que la section de canal d'air du dispositif
médian d'amenée d'air se rétrécit dans la direction de l'écoule-
ment.
Un avantage important du dispositif d'in-
jection, selon l'invention, réside dans le fait que l'arête de décollement subit un écoulement du carburant autour de ses deux côtés, sans décollement et qu'il est atteint, de cette
manière, une fine pulvérisation du carburant.
Dans une autre configuration de l'invention, la douille formant l'enveloppe extérieure du dispositif d'amenée d'air selon l'invention est avancée plus en avant dans la chambre de combustion, que ne l'est la douille formant l'enveloppe extérieure. On retarde de ce fait le mélange des deux écoulements
intérieurs chargés en carburant et de l'écoulement extérieur.
Une configuration appropriée de l'invention consiste en ce que les ailettes ou générateur de rotation du dispositif d'amenée d'air intérieur sont disposées en aval de l'injecteur. Ceci possède l'avantage que l'ensemble du dispositif d'injection de carburant est plus petit à débits d'air identiques et que de cette manière il peut être intégré rigidement dans le tube de flamme de la chambre de combustion. De ce fait, il est en outre possible que l'injecteur soit pourvu à la périphérie d'une ou plusieurs ouvertures intercalées radialement sur la périphérie, du fait que le carburant ne doit être seulement mélangé que dans l'écoulement d'air. La génération de la rotation pour l'air et pour le carburant est obtenue par les aillettes de rotation disposées en aval de l'écoulement. Les injecteurs qui sont jusqu'alors fabriqués de manière coûteuse et chère sont de ce fait réalisés avantageusement très simplement, du fait de
leur dispositif de génération de rotation.
D'autres particularités, pour le perfectionne-
ment de l'invention sont caractérisées en ce que la douille formant une paroi extérieure de canal du dispositif médian
d'amenée d'air et la douille se trouvant concentriquement à l'in-
térieur se terminent dans le même plan radial; la douille formant une paroi de canal extérieur du dispositif d'amenée d'air médian émerge plus loin dans la chambre de combustion, que la douille située concentriquement à l'intérieur; la douille située concentriquement à l'intérieur émerge plus loin dans la chambre de combustion qu'une douille formant une paroi de canal extérieure du dispositif d'amenée d'air médian; un générateur ou ailettes de rotation du dispositif intérieur d'amenée d'air est disposé en avaL de l'injecteur; la douille se rétrécit coniquement dans la direction aval de l'écoulement et n'est seulement formée de =anière cylindricue qu'au voisinage de l'arête de décollement; la douille se rétrécit coniquement dans la direction aval de l'écoulement et s'étend de manière conique au voisinage de l'arête d'écoulement; l'écoulement d'air du dispositif intérieur d'amenée d'air est principalement concentriquement à l'injecteur dans la direction axiale; la douille du dispositif médian d'amenée d'air,
pour la formation d'un canal d'air de forme annulaire, se rétré-
cit tout d'abord coniquement plus fortement que la douille située concentriquement à l'intérieur, de telle sorte que ce canal d'air possède dans la direction axiale une section décroissant fortement, qu'il possède presque, en sa partie médiane et en aval de l'écoulement, une section décroissant fortement, qu'il D possède presque les mêmes rainures que la douille, en sa partie médiane et en aval de l'écoulement, de telle sorte qu'en cette zone, le canal d'air possède une section décroissant légèrement; le dispositif médian d'amenée d'air possède un générateur ou des ailettes de rotation; l'injecteur possède une ou plusieurs ouvertures d'injection intercalées radialement sur la périphérie.
Les formes de réalisation préférées de l'in-
vention sont expliquées plus en détail dans ce qui suit, en se référant aux dessins joints. A cette occasion il est représenté: 0 Figure 1: une coupe longitudinale au travers d'un dispositif d'injection de carburant selon l'invention, Figure 2: une coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation du dispositif d'injection de carburant, Figure 3: une représentation schématique de l'écoulement de
recirculation dans une chambre de combustion.
Dans le dispositif d'injection, un injecteur 1 est disposé dans un carter 2, ainsi qu'il est montré à la figure 1. Une ou plusieurs ouvertures d'injection 3 sont prévues dans la partie avant de l'injecteur 1, qui injectent du carburant dans le canal d'air 4 et sur la douille 5. A cette occasion, les ouvertures 3 peuvent être disposées de telle sorte que le carburant soit injecté sous rotation, ou bien - ainsi qu'il est montré à la figure 2 - réalisées en ouvertures radiales d'injection 3a. Un dispositif 6 intérieur d'amenée d'air est prévu radialement à l'extérieur des ouvertures d'injection 3, au travers duquel un écoulement d'air s'écoule radialement vers l'intérieur, dans le canal d'air 4. A cette occasion, une rotation est conférée à cet écoulement d'air, dans la direction périphérique, par les générateurs de rotation 7 répartis sur la périphérie. Les générateurs de rotation 7 peuvent être réalisés sous la forme d'ailettes ou bien de canaux d'air. Un autre
dispositif médian d'amenée d'air 8 conduit également un écoule-
ment d'air radialement vers l'intérieur, celui-ci pouvant toute-
fois à cette occasion être dévié dans la direction axiale et
s'ecouler autour et à l'extérieur de la douille 5. A cette occa-
sion la section du canal d'air 9 de forme annulaire du dispositif
médian d'amenée d'air 8 décroit dans la direction de l'écoule-
ment, avec la section la plus étroite à l'arête de décollement de la douille 5. Un dispositif extérieur d'amenée d'air 11 est disposé de telle sorte qu'il apporte un troisième écoulement d'air radialement à l'extérieur des autres écoulements d'air,
dans la direction axiale, faisant que, dans la direction péri-
phérique, il est conférée une rotation à cet écoulement d'air, par les générateurs de rotation 12, qui se développe dans le sens opp'sé à l'écoulement d'air en rotation se trouvant dans le canal d'air 4. Dans la forme de réalisation qui est montrée, la douille 13 séparant les dispositifs d'amenée d'air médian 8 et extérieur 11 émerge plus en avant dans la chambre de combustion que la douille 5 située concentriquement à l'intérieur. La douille 5 se rétrécit en forme de buse dans la direction aval de l'écoulement. La surface intérieure d'une partie avant de carter 14 est bombée vers l'extérieur, en aval de la douille 13, en forme de trémie. La figure 2 montre une autre forme de réalisation du dispositif d'injection, dans lequel le dispositif intérieur d'amenée d'air 6 amène son débit d'air principalement dans la direction axiale à l'extérieur de l'injecteur 1. Le générateur ou ailettes de rotation 7a du dispositif intérieur d'amenée d'air 6 est disposé en aval des ouvertures d'injection 3a de l'injecteur 1, faisant que les ouvertures d'injection 3a sont exécutées en plusieurs ouvertures radiales réparties sur la périphérie. Le générateur ou ailettes de rotation 7a contient
un corps médian 15 au voisinage de l'axe.
La douille 5 se rétrécit coniquement dans la
direction aval de l'écoulement et est conformée de manière cylin-
drique au voisinage de l'arête de décollement 10. La douille 13, qui, avec la douille 5 située intérieurement concentriquement,
forme le canal d'air 9 de forme annulaire, se rétrécit conique-
ment plus fortement que la douille 5, de telle sorte que ce canal d'air 9 possède une section décroissante dans la direction de l'écoulement, faisant que la diminution de section soit d'abord forte, faible dans la zone médiane et arrière en aval de
l'écoulement.
En fonctionnement, du carburant est injecté par les ouvertures d'injection 3 dans le canal d'air 4, faisant que celui-ci, de par sa rotation propre et par l'écoulement d'air en rotation véhiculé par le dispositif d'amenée d'air 6, soit centrifugé, principalement sur la paroi intérieure de la douille 5. Du fait de la conformation en forme de buse de la douille 5,
l'écoulement d'air possède une vitesse élevée à l'arête de décol-
lement 10 et pulvérise de ce fait le film decarburant arrivant à l'arête de décollement 10 en collaboration avec l'écoulement
d'air qui s'écoule par le canal d'air 9 de forme annulaire.
On atteint de ce fait une bonne pulvérisation du carburant, sans que celui-ci ne soit centrifugé trop loin radialement vers l'extérieur. Le débit d'air véhiculé par le dispositif d'amenée d'air extérieur 11 est centrifugé très loin radialement vers l'extérieur, du fait de sa rotation importante qui lui est conférée par le générateur de rotation 12, ainsi qu'il est représenté à la figure 3 et cause de cette manière un écoulement de recirculation stable 16 dans la chambre de combustion 20, qui remplit également les coins de la tête de tube de flamme 17, sans décollement. On obtient de cette manière une bonne pulvérisation du carburant, la projection du brouillard de carburant s'effectuant avantageusement sous un angle favorable
18 de 500-80 par rapport à l'axe médian.
Claims (7)
1- Dispositif d'injection de carburant pour une chambre de combustion d'une turbine à gaz pour le mélange du carburant et d'air comprimé, avec une douille disposée en aval de l'écoulement d'un injecteur, sur laquelle un film de carburant est apporté, avec un dispositif d'amenée d'air intérieur et extérieur, pour deux écoulements d'air d'une rotation induite àcontre-sens autour de la douille pour pulvériser le carburant, caractérisé en ce que la douille (5) est conformée en buse et qu'un autre dispositif d'amenée d'air (8) médian est disposé entre un dispositif intérieur (6) et extérieur (11) d'amenée d'air et dont la section de canal d'air se rétrécit dans la direction de l'écoulement, avec la section la plus étroite, à une arête de décollement (10) de la douille (5) , lequel conduit
un débit d'air radialement en dehors de la douille (5) et radia-
lement, à l'intérieur du dispositif extérieur d'amenée d'air (11) et qui s'écoule autour de l'arête de décollement (10) de la douille (5) sans décollement, et projette un brouillard de carburant s'effectuant avantageusement sous un angle favorable (18) de 50 à 80 par rapport à l'axe médian, dans la chambre de combustion (20). 2- Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la douille (13) formant une paroi extérieure de canal du dispositif médian d'amenée
d'air (8) et la douille (5) se trouvant concentriquement à l'in-
0 térieur se terminent dans le même plan radial.
3- Dispositif d'injection de carburant selon
l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que
la douille (13) formant une paroi de canal extérieur du dispositif
d'amenée d'air médian émerge plus loin dans la chambre de combus-
tion, que la douille (5) située concentriquement à l'intérieur.
4- Dispositif d'injection de carburant
selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en
ce que la douille (5) située concentriquement à l'intérieur émerge plus loin dans la chambre de combustion qu'une douille (13) formant une paroi de canal extérieure du dispositif d'amenée
d'air médian (8).
- Dispositif d'injection de carburant
selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en
ce qu'un générateur ou ailettes de rotation (7a) du dispositif intérieur d'amenée d'air (6) est disposé en aval de l'injecteur (1). 6- Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la douille (5) se rétrécit coniquement dans la direction aval de l'écoulement et n'est seulement formée de manière cylindrique qu'au voisinage
de l'arête de décollement (10).
7- Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la douille (5) se rétrécit coniquement dans la direction aval de l'écoulement et s'étend de manière conique au voisinage de l'arête d'écoulement (10). 8- Dispositif d'injection de carburant selon
l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que
l'écoulement d'air du dispositif intérieur d'amenée d'air (6) est principalement concentriquement à l'injecteur (1) dans la
direction axiale.
9- Dispositif d'injection de carburant selon
l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que
la douille (13) du dispositif médian d'amenée d'air (8), pour la formation d'un canal d'air (9) de forme annulaire, se rétrécit tout d'abord coniquement plus fortement que la douille (5) située concentriquement à l'intérieur, de telle sorte que ce canal
d'air (9) possède dans la direction axiale une section décrois-
sant fortement, qu'il possède presque, en sa partie médiane et en aval de l'écoulement, une section décroissant fortement, qu'il possède presque les mêmes rainures que la douille (5), en sa partie médiane et en aval de l'écoulement, de telle sorte
qu'en cette zone, le canal d'air (9) possède une section décrois-
sant légèrement.
10- Dispositif d'injection de carburant selon
l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que
le dispositif médian d'amenée d'air (8) possède un générateur ou
des ailettes de rotation.
11- Dispositif d'injection de carburant selon
l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que
l'injecteur (1) possède une ou plusieurs ouvertures d'injection
(3a) intercalées radialement sur la périphérie.
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