FR2638488A1 - Injecteur de liquide a pulverisation aerodynamique, notamment pour turbomoteurs - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un injecteur de liquide à un seul étage comportant un orifice de décharge d'un gaz central 116 entouré par un orifice de décharge du liquide coaxial 122, l'orifice de décharge du gaz 116 étant disposé en amont de l'orifice de décharge du liquide 122 et le liquide et le gaz étant tous les deux déchargés à partir d'un orifice de sortie de l'injecteur 131 situé en aval de l'orifice de sortie du liquide 122. Cet injecteur est caractérisé en ce que l'orifice de sortie de l'injecteur 131 est dimensionné de manière à ne pas être supérieur à l'orifice de décharge du gaz 116 si bien que le liquide et le gaz s'interpénètrent avant de sortir de l'injecteur.
Description
i La présente invention concerne un injecteur de liquide dans lequel des
courants de gaz coaxiaux central et externe assurent la dispersion d'un courant d'un liquide annulaire. Les injecteurs de liquide assistés par un gaz, souvent appelés "injecteurs à pulvérisation aérodynamique", sont des moyens bien connu assurant la dispersion d'un courant de liquide, tel qu'un carburant liquide, dans un courant de gaz, tel que l'air. Les injecteurs de carburant à pulvérisation aérodynamique sont utilisés couramment dans les turbomoteurs dans lesquels on désire obtenir une dispersion et, une combustion rapide du carburant liquide dans un volume
confiné d'une chambre de combustion.
Le brevet US-4 139 157 décrit un injecteur de carburant à pulvérisation aérodynamique dans lequel des flux coaxiaux successifs d'air, de carburant et d'air additionnel sont combinés et entremêlés de manière à obtenir la dispersion et la pulvérisation rapides désirées du carburant
liquide. La description de ce brevet indique des relations
très spécifiques en ce qui concerne les diamètres entre le courant d'air central, le courant de carburant annulaire et le courant d'air annulaire additionnel afin d'obtenir une
dispersion maximale de carburant liquide.
Plus particulièrement il est indiqué dans le brevet US précité que l'orifice de décharge pour le courant d'air central doit être inférieur au diamètre externe du courant de carburant annulaire d'une quantité au moins équivalente à l'épaisseur radiale du courant de carburant annulaire, pour le débit de carburant maximal. L'injecteur décrit dans le brevet US précité est un exemple typique des injecteurs de carburant à pulvérisation aérodynamique suivant la technique antérieure dans lesquels la décharge initiale du courant de gaz sous pression central a un diamètre plus petit que le diamètre externe de l'orifice de décharge du courant de carburant annulaire concentrique. De tels injecteurs de carburant à pulvérisation aérodynamique, s'ils se sont révélés efficaces en ce qui concerne la dispersion du carburant liquide, souffrent toutefois d'un inconvénient notable si l'orifice de décharge du gaz central et l'orifice de décharge du carburant annulaire se trouvent être, pour une raison quelconque, non concentriques ou non alignés. Les résultats d'essais ont montrés que même une légère variation de la concentricité des orifices de décharge de l'air central et du carburant annulaire peut se traduire par un défaut d'uniformité important dans le débit massique du carburant dispersé en aval de l'injecteur. De tels défauts d'uniformité sont particulièrement indésirables dans les turbomoteurs à hautes performances car ils se traduisent fréquemment par une surchauffe localisée de la garniture de la chambre de combustion, des aubes de la turbine ou d'une autre structure, en entraînant ainsi une réduction de la durée de service et une possible dégradation de la durée de vie et des performances de la chambre de combustion et de la turbine
dans leur ensemble.
Par exemple dans un injecteur de carburant à pulvérisation aérodynamique typique, ayant une épaisseur radiale du courant de carburant annulaire de l'ordre de 0,100 cm, un défaut de concentricité entre l'orifice de décharge de l'air central et le diamètre externe de l'orifice de décharge du carburant annulaire de 0,010 cm se traduit par un déséquilibre élevé inacceptable du carburant dispersé. Avec de tels injecteurs une tolérance acceptable habituelle qui n'est pas supérieure à 0,003-0,005 cm, est nécessaire pour assurer une dispersion uniforme du carburant. Ainsi qu'il est bien connu des spécialistes de cette technique, de telles tolérances sont difficiles et onéreuses à maintenir en particulier avec des structures d'injecteurs moulées ou soudées. Ce que l'on recherche est donc un injecteur de carburant qui puisse assurer une dispersion satisfaisante d'un liquide et qui soit relativement insensible à un défaut de concentricité entre l'ouverture de décharge du gaz central et l'ouverture de décharge du carburant annulaire située en
aval.
Par conséquent un but de la présente invention est de
fournir un injecteur assisté par un gaz.
Un autre but de la présente invention est de fournir un injecteur assisté par un gaz qui est adapté de manière à assurer une dispersion de liquide uniforme dans le sens circonférentiel. Un autre but de l'invention est de fournir un injecteur de liquide du type à pulvérisation aérodynamique qui est relativement insensible à tout défaut de concentricité entre les orifices de sortie du gaz et du liquide. Suivant la présente invention un injecteur assisté par un gaz est pourvu d'un orifice de décharge de gaz central, pour délivrer un courant à grande vitesse d'un gaz de pulvérisation, tel que l'air, et un courant annulaire d'un
liquide, tel qu'un carburant, entourant le précédent.
La présente invention évite la sensibilité à un défaut de concentricité quelconque entre le diamètre externe du courant de carburant annulaire et l'orifice de sortie du gaz en dimensionnant la lèvre de l'orifice de décharge du carburant de telle manière qu'elle ne soit pas plus grande que l'orifice de décharge du gaz, ce qui assure ainsi l'interpénétration du gaz déchargé et du courant de
carburant annulaire avant qu'ils ne sortent de l'injecteur.
En dirigeant le gaz de pulvérisation vers et dans le courant de liquide annulaire alors que ce dernier se trouve encore confiné à l'intérieur de l'injecteur, l'injecteur suivant la présente invention réduit la sensibilité de l'uniformité du brouillard de liquide déchargé à l'égard d'un quelconque défaut de concentricité ou d'un autre défaut d'alignement en position qui peut être présent dans la structure de l'injecteur. La répartition plus régulière du liquide pulvérisé empêche, dans le cas d'une chambre de combustion d'un turbomoteur, une surchauffe locale des structures de la chambre de combustion et de la turbine se
trouvant en aval.
On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un injecteur de carburant à pulvérisation aérodynamique suivant
la technique antérieure.
La figure 2 est une vue en coupe axiale d'un
injecteur suivant la présente invention.
La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une variante d'exécution d'un injecteur suivant la présente invention. La figure 1 représente un injecteur de carburant à pulvérisation aérodynamique 10 comportant un conduit central 12 disposé suivant l'axe 14 de l'injecteur et ayant un orifice de décharge 16 à travers lequel l'air de pulvérisation est déchargé à partir de l'injecteur. Autour du premier orifice de sortie d'air 16 se trouve un passage 20 d'alimentation d'un courant de carburant annulaire, lequel comprend un orifice de décharge annulaire 22 délimité entre le conduit d'air central 12 et la lèvre ou l'orifice 24 de sortie d'air et de carburant. Un anneau d'injecteur secondaire extérieur 26 canalise de l'air de pulvérisation secondaire 28 d'une manière coaxiale autour du courant de carburant annulaire 30, les trois courants étant déchargés à
travers l'orifice 32 de l'anneau 26 de l'injecteur.
Des aubes 34 de création d'un tourbillon de l'air primaire, des aubes 36 de création d'un tourbillon du carburant liquide et'des aubes 38 de création d'un tourbillon de l'air secondaire sont également prévues dans l'injecteur de la figure 1, afin d'accroître le moment cinétique des divers courants, en augmentant ainsi la dispersion du courant
de liquide 30, ainsi qu'il est bien connu dans la technique.
Suivant la pratique antérieure, l'injecteur tel que représenté sur la figure 1 comporte un orifice de sortie d'air central ou primaire 16 ayant un diamètre inférieur au diamètre externe de l'orifice annulaire 22 de décharge du carburant. Ce diamètre externe, équivalent à celui de la lèvre ou de l'orifice 24 de l'injecteur, permet au courant 30 de carburant ou de liquide annulaire de s'étaler radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe central 14 de l'injecteur, tandis que le carburant 30 s'écoule par-dessus la lèvre de décharge 24. Le courant d'air primaire 18 s'écoule ainsi parallèlement au courant de liquide annulaire 30, au moins au voisinage de la lèvre de l'orifice de sortie 24. Comme il a été décrit précédemment, un léger défaut d'alignement entre l'orifice 16 de décharge de l'air primaire et l'orifice 22 de décharge du carburant peut se traduire par un sérieux défaut d'uniformité, dans le sens circonférentiel,
du liquide dispersé sortant de l'orifice 32 de l'injecteur.
On pense qu'un tel déséquilibre résulte de l'amincissement rapide du courant de liquide annulaire 30 tandis qu'il s'écoule par-dessus la lèvre de l'orifice de sortie 24 et qu'il s'étale radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe central 14 de l'injecteur par suite de la force centrifuge induite par le tourbillonnement du liquide. Le film liquide mince est fractionné plus fortement par suite d'un léger défaut d'alignement du courant d'air central 18 provoqué par la nonconcentricité de l'orifice d'air ou de gaz central 16. Bien que l'épaisseur du courant de liquide annulaire 30 puisse varier avec le débit de ce liquide, les effets négatifs dans une chambre de combustion d'un turbomoteur sont les plus notables lorsque l'injecteur de carburant est en fonctionnement à sa capacité et par
conséquent à la puissance thermique les plus élevées.
Un défaut d'alignement des orifices d'air 16 et de carburant 22 dans un injecteur de carburant peut résulter de divers facteurs mais il est dû le plus souvent au processus de fabrication de l'injecteur dans lequel le manchon externe 21 de l'injecteur est soudé au conduit d'air primaire 13. Le chauffage localisé de ces composants relativement minces et légers peut conduire à une déformation locale laquelle peut altérer légèrement la concentricité des orifices 16,22. Comme il a été noté précédemment, même un très léger défaut d'alignement peut altérer sérieusement l'uniformité de la décharge. Les figures 2 et 3 représentent un injecteur suivant la présente invention sous deux formes d'exécution. La figure 2 représente un injecteur suivant la technique intérieure mais modifié, alors que la figure 3 représente un injecteur conçu dés le départ suivant la présente invention. Comme dans le cas des injecteurs connus antérieurement, un conduit de gaz central 112 assure la décharge d'un courant d'air central ou primaire 118, coaxialement par rapport à l'axe central 114 de l'injecteur. Un conduit de carburant annulaire 120, 120' décharge, dans les deux formes d'exécution, le carburant liquide à travers un orifice annulaire 122, 122' immédiatement adjacent à l'orifice 116, 116' de décharge du
gaz central.
Comme il ressort clairement des figures 2 et 3, le diamètre maximal des orifices 122, 122' de décharge du courant de liquide annulaire n'est pas supérieur au diamètre des orifices 116, 116' de décharge du gaz central. Par conséquent le courant de carburant annulaire 130, 130', sortant de l'orifice annulaire 122, 122', rencontre le courant d'air déchargé 118, 118' avant une quelconque expansion de ce courant de gaz 118,118'. De la même façon le film de carburant annulaire 130, 130' rencontre le courant de gaz primaire ou central 118,118' alors qu'il est encore relativement épais, comparativement au courant 30 suivant la
technique antérieure représenté sur la figure 1.
L'interpénétration de l'air primaire 118,118' et du liquide , 130' entraîne une réduction de la sensibilité de l'injecteur suivant l'invention à l'égard d'un quelconque défaut de concentricité entre l'orifice 116, 116' de décharge du gaz et la lèvre ou l'orifice de sortie circulaire correspondant 131, 131'. Des résultats d'essais ont montré que des injecteurs ayant une configuration conforme à la présente invention, qu'ils aient été conçus initialement de manière que le diamètre de leur orifice 116' de décharge de l'air ne soit pas inférieur au diamètre de l'orifice de sortie 131' ou bien qu'il s'agisse d'injecteurs suivant la technique intérieure dans lesquels l'orifice de décharge du gaz 116 est redimensionné, ainsi qu'il est représenté sur la figure 2, de manière à avoir le même diamètre que celui de l'orifice de sortie 131, présentent une symétrie et une uniformité de la dispersion du liquide autour de l'axe 114 de l'injecteur très notablement améliorées. Dans l'un des essais un injecteur suivant la technique antérieure présentant une variation locale élevée inacceptable de la dispersion du carburant dans le sens circonférentiel a été reconfiguré suivant la présente invention, ce qui a permis d'obtenir une réduction de presque 50% du défaut de symétrie de l'octant le plus riche en carburant, ainsi qu'une symétrie globale acceptable dans la dispersion du carburant délivré par l'injecteur. L'injecteur suivant la présente invention comporte également un anneau d'injecteur externe 126, 126' délimitant un orifice de sortie de l'injecteur 132,132' avec des aubes de formation de tourbillon 138, 138' comme dans le cas de la
technique antérieur.
Il est ainsi clair que l'injecteur suivant la présente invention convient tout particulièrement pour atteindre les buts et obtenir les avantages tels qu'exposés précédemment.
Claims (5)
1.- Injecteur de liquide à un seul étage comportant un orifice de décharge d'un gaz central (116,116') entouré par un orifice de décharge du liquide coaxial (122,122'), l'orifice de décharge du gaz (116,116') étant disposé en amont de l'orifice de décharge du liquide (122,122') et le liquide et le gaz étant tous les deux déchargés à partir d'un orifice de sortie de l'injecteur (131,131') situé en aval de l'orifice de sortie du liquide (122,122'), caractérisé en ce que l'orifice de sortie de l'injecteur (131,131') est dimensionné de manière à ne pas être supérieur à l'orifice de décharge du gaz (116,116') si bien que le liquide et le gaz
s'interpénètrent avant de sortir de l'injecteur.
2.- Injecteur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'orifice de décharge du gaz (116,116') et l'orifice de sortie de l'injecteur (131, 131') sont circulaires et l'orifice de décharge du liquide (122,122')
est annulaire.
3.- Injecteur de liquide à un seul étage comprenant un conduit (112,112') de décharge d'un gaz central, ayant un orifice (116,116') de décharge d'un courant de gaz sous pression à partir de cet orifice, un conduit de liquide annulaire (120,120') disposé autour du conduit de décharge du gaz (112,112'), ce conduit de liquide se terminant par un orifice annulaire (122,122') adjacent à l'orifice de décharge du gaz (116,116'), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens, disposés en aval de l'orifice (116,116') du conduit de décharge du gaz (112,112') et de l'orifice (122,122') du conduit de liquide annulaire (120,120'), pour entremêler, dans le sens radial, les courants de liquide et de gaz avant
de les décharger à partir de l'injecteur.
4.- Injecteur suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens assurant l'entremêlement des courants sont constitués par un orifice de sortie calibré (131,131') disposé en aval de l'orifice (122,122') du conduit de liquide (120,120') et de l'orifice (116,116') de décharge du gaz, l'orifice de sortie calibré (131,131') étant dimensionné de manière à fournir une section de passage pour l'écoulement inférieure aux sections de passage combinées pour les écoulements à travers l'orifice de décharge du gaz (116,116')
et l'orifice (122,122') du conduit de liquide (120,120').
5.- Injecteur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que la section de passage de l'orifice de sortie calibré (131,131') n'est pas supérieure à la section de passage de l'orifice (116,116') du conduit de décharge du gaz
(120,120').
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