FR2754333A1 - Centrifugal injector for gas turbine combustor - Google Patents
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Abstract
Description
TITRE DE L'INVENTION
INJECTION CENTRIFUGE ACTIVE
La présente invention, concerne un dispositif améliorant les conditions d'injection dans les chambres de combustion des turbomoteurs, turboréacteurs ou autres générateurs, utilisant le principe de combustion d'un carburant liquide ou gazeux dans la veine d'air d'un tube à flamme.TITLE OF THE INVENTION
ACTIVE CENTRIFUGAL INJECTION
The present invention relates to a device improving the conditions of injection into the combustion chambers of turbine engines, turbojets or other generators, using the principle of combustion of a liquid or gaseous fuel in the air stream of a flame tube .
Dans ce genre de moteurs, la combustion consiste à brûler un mélange de carburant et d'air et à délivrer les gaz issus de la réaction vers la turbine, transformant ainsi l'énergie potentielle contenue dans le carburant en énergie calorifique. In this type of engine, combustion consists of burning a mixture of fuel and air and delivering the gases from the reaction to the turbine, thus transforming the potential energy contained in the fuel into heat energy.
La combustion du point de vue chimique, est généralement une réaction d'oxydation d'un hydrocarbure de type CxHy qui fait apparaître une richesse Stcechiométrique (rapport idéal carburant/air ) qui varie suivant le carburant. Du point de vue physique, la combustion n'existe que dans une certaine stabilité, qui est idéale quand en un point quelconque la vitesse de propagation de la flamme est égale à la vitesse d'écoulement de l'air, et qui est obtenu en particulier si le mélange carburant/air est ni trop riche, ni trop pauvre pour des températures et des pressions données, la richesse idéale étant la richesse stoechiométrique. Combustion from the chemical point of view is generally an oxidation reaction of a CxHy type hydrocarbon which reveals a Stoichiometric richness (ideal fuel / air ratio) which varies according to the fuel. From the physical point of view, combustion only exists in a certain stability, which is ideal when at any point the speed of propagation of the flame is equal to the speed of flow of air, and which is obtained by particularly if the fuel / air mixture is neither too rich nor too lean for given temperatures and pressures, the ideal richness being the stoichiometric richness.
Pour répondre à ces impératifs, la majorité des chambre de combustion, qu'elles soient annulaires classiques, ou a écoulement inversé, disposent à l'intérieur de leur carter d' un tube à flamme dans lequel se stabilise la combustion. To meet these requirements, the majority of combustion chambers, whether they are conventional annular or with reverse flow, have inside their casing a flame tube in which combustion stabilizes.
C'est lui qui supporte le ou les injecteurs de carburant dans sa partie amont.It is he who supports the fuel injector (s) in its upstream part.
Il en résulte, que pour obtenir le bon mélange de combustion, une zone primaire est organisée autour de ces injecteurs, cette zone, permet de laisser pénétrer dans le tube à flamme environ 1/3 à 1/4 de la masse d'air qui se présente à l'entrée de la chambre, en provenance du compresseur principal et que l'on qualifie d'air primaire: c'est par le dosage du carburant apporté par le ou les injecteurs, que l'on régule la richesse du mélange , et que l'on créé et l'on maintient, les conditions de combustion et la stabilité de la flamme. As a result, to obtain the right combustion mixture, a primary zone is organized around these injectors, this zone allows about 1/3 to 1/4 of the air mass to enter the flame tube. is present at the entrance to the chamber, coming from the main compressor and which is qualified as primary air: it is by the metering of the fuel supplied by the injector (s), that the richness of the mixture is regulated , and which one creates and maintains, the combustion conditions and the stability of the flame.
Ainsi, divers systèmes d'injecteurs sont régulièrement utilisés : injecteurs simples, injecteurs doubles avec gicleurs concentriques, injecteurs à pré-vaporisation, injecteurs centrifuges etc..Thus, various injector systems are regularly used: single injectors, double injectors with concentric nozzles, pre-spray injectors, centrifugal injectors etc.
Tous ces systèmes d'injection présentent des intérêts et des inconvénient spécifiques et permettent la régulation de la richesse du mélange par le dosage en permanence du carburant apporté en fonction du régime du compresseur et dans des conditions de pulvérisation plus ou moins efficaces. All of these injection systems have specific advantages and drawbacks and allow the richness of the mixture to be regulated by continuously dosing the fuel supplied according to the speed of the compressor and under more or less efficient spraying conditions.
Cependant:
- ils ne permettent pas de créer et de maintenir les conditions d'une combustion si la quantité d'air primaire apportée par le compresseur est insuffisante ou inexistante, ce qui est le cas de la phase de démarrage.However:
- They do not allow the creation and maintenance of combustion conditions if the quantity of primary air supplied by the compressor is insufficient or nonexistent, which is the case during the start-up phase.
- ils ne permettent pas de réguler la quantité d'air primaire apportée par le compresseur si cette quantité s'avère inadaptée au débit de carburant qu'ils injectent ce qui est le cas du fonctionnement général. - they do not make it possible to regulate the quantity of primary air supplied by the compressor if this quantity proves to be unsuitable for the flow of fuel that they inject, which is the case with general operation.
- ils sont considérés comme passifs. - they are considered passive.
La présente invention a donc pour but d'améliorer, d'une part, les conditions de pulvérisation du carburant et de mélange de l'air primaire et, d'autre part, de permettre de réguler le débit d'air primaire: soit pour créer les conditions de démarrage de l'ensemble du système sans autre apport à partir du stade repos, soit pour créer les conditions parfaites de combustion en régulant non seulement le débit de carburant mais aussi le débit d'air primaire. The present invention therefore aims to improve, on the one hand, the fuel spraying conditions and primary air mixing and, on the other hand, to allow to regulate the primary air flow: either for create the starting conditions for the entire system without any additional input from the rest stage, i.e. to create the perfect combustion conditions by regulating not only the fuel flow but also the primary air flow.
Le système de la présente invention est donc considéré comme actif et a pour conséquences, une optimisation du comportement général de la combustion allant dans le sens de l'amélioration du rendement global et de la limitation des émissions des produits polluants et une possibilité d'autoallumage allant dans le sens de la simplification du montage mécanique des dispositifs traditionnels de démarrage d'un générateur. The system of the present invention is therefore considered to be active and results in an optimization of the general behavior of combustion going in the direction of improving the overall efficiency and limiting the emissions of pollutants and a possibility of self-ignition. going in the direction of the simplification of the mechanical assembly of the traditional devices of starting of a generator.
Le dispositif selon l'invention, est constitué d'un ensemble tournant Fig 1 rep 1, comportant principalement une couronne de gicleurs et une roue aspirante, l'ensemble est accouplé à un moteur d'entraînement Fig 1 rep 3, le tout est placé dans un carter général Fig 1 rep 2. The device according to the invention, consists of a rotating assembly Fig 1 rep 1, mainly comprising a sprinkler ring and a suction wheel, the assembly is coupled to a drive motor Fig 1 rep 3, the whole is placed in a general casing Fig 1 rep 2.
Dans une chambre de combustion, le dispositif selon l'invention, est généralement disposé à la place de l'injecteur classique Fig 2 rep 4, en entrée de la zone d'admission de l'air primaire Fig 2 rep 5, et en amont du tube à flamme Fig 2 rep 6. In a combustion chamber, the device according to the invention is generally placed in place of the conventional injector Fig 2 item 4, at the inlet of the primary air intake area Fig 2 item 5, and upstream of the flame tube Fig 2 rep 6.
L'ensemble tournant selon l'invention, est constitué d'un arbre principal Fig 4 rep 15, portant une couronne de gicleurs Fig 4 rep 17, qui est reliée par une canalisation centrale Fig 4 rep 19,à la chambre d'admission du carburant
Fig 3 rep 9, comme un injecteur centrifuge classique, mais sur lequel est fixé à l'une de ses extrémité, une roue aspirante Fig 4 rep 16
La roue aspirante de l'ensemble tournant, Fig 4 rep 16, est généralement de type centrifuge, mais peut aussi être hélicocentrifuge, axiale ou autre. Elle est placée dans une chambre d'aspiration Fig 3 rep 10, qui est suivie d'une chambre de détente Fig 3 rep 11, ces chambres sont disposées de telle sorte, que l'air périphérique aspiré par la roue, quand elle est en mouvement, soit dirigé du fait de leurs profils en entrée du tube à flamme Fig 3 rep 12.The rotating assembly according to the invention consists of a main shaft Fig 4 item 15, carrying a ring of nozzles Fig 4 item 17, which is connected by a central pipe Fig 4 item 19, to the inlet chamber of the fuel
Fig 3 rep 9, like a conventional centrifugal injector, but on which is fixed at one of its ends, a suction wheel Fig 4 rep 16
The suction wheel of the rotating assembly, Fig 4 rep 16, is generally of the centrifugal type, but can also be helicocentrifugal, axial or other. It is placed in a suction chamber Fig 3 rep 10, which is followed by an expansion chamber Fig 3 rep 11, these chambers are arranged so that the peripheral air sucked in by the wheel, when it is in movement, either directed due to their profiles at the inlet of the flame tube Fig 3 rep 12.
La couronne de gicleurs de l'ensemble tournant Fig 4 rep 17, assure la pulvérisation du carburant par centrifugation et est disposée sur l'arbre principal . Elle est généralement placée en amont de la roue aspirante afin de favoriser le mélange de la pulvérisation et du flux d'air de combustion ou air primaire mais elle peut être disposée en aval, ou de part et d'autre en double couronne. The sprinkler ring of the rotating assembly Fig 4 rep 17, sprays the fuel by centrifugation and is arranged on the main shaft. It is generally placed upstream of the suction wheel in order to favor the mixing of the spraying and the flow of combustion air or primary air, but it can be arranged downstream, or on either side in double crown.
L'injection se fait donc par centrifugation dés lors que l'ensemble est en mouvement. Le brouillard de carburant est en grande partie pré-mélangé à l'air primaire avant de pénétrer dans le tube à flamme
L'apport et le dosage du carburant en entrée de la chambre d'admission Fig 3 rep 13, sont généralement réalisés par des moyens extérieurs au dispositif ( pompes, vannes, clapets etc ..) et sont sous le contrôle d'un système de régulation. Ils peuvent cependant être intégrés en tout ou partie dans la chambre d'admission. Le transfert de carburant entre l'alimentation statique et la canalisation de l'arbre tournant est réalisé dans la chambre d'admission Fig 3 rep 9, par des orifices ménagés dans l'arbre Fig 4 rep 18.The injection is therefore made by centrifugation as soon as the assembly is in motion. Fuel mist is largely pre-mixed with primary air before entering the flame tube
The supply and metering of the fuel at the inlet of the inlet chamber Fig 3, rep 13, are generally carried out by means external to the device (pumps, valves, valves, etc.) and are under the control of a system of regulation. They can however be integrated in whole or in part in the admission chamber. The transfer of fuel between the static supply and the pipe of the rotating shaft is carried out in the inlet chamber Fig 3 item 9, through orifices made in the shaft Fig 4 item 18.
Le carter général selon l'invention, Fig 1 rep 2, est séparé ou intégré au carter de la chambre de combustion. Il est aménagé intérieurement de telle sorte à présenter, une chambre d'admission du carburant Fig 3 rep 9, une chambre d'aspiration Fig 3 rep 10, suivie d'une chambre de détente Fig 3 rep 11. The general casing according to the invention, Fig 1 rep 2, is separate or integrated into the casing of the combustion chamber. It is arranged internally so as to present, a fuel intake chamber Fig 3 rep 9, a suction chamber Fig 3 rep 10, followed by an expansion chamber Fig 3 rep 11.
Le contour intérieur de la chambre d'aspiration respectera le profil extérieur de la roue aspirante utilisée, et celui de la chambre de détente conduira à redresser le flux créé pour le diriger dans l'entrée du tube à flamme, enfin celui de la chambre d'admission favorisera l'écoulement du carburant, son transfert dans la canalisation centrale et l'étanchéité de l'ensemble. The interior contour of the suction chamber will respect the external profile of the suction wheel used, and that of the expansion chamber will lead to straighten the flow created to direct it into the inlet of the flame tube, finally that of the chamber d intake will promote the flow of fuel, its transfer into the central pipe and the tightness of the assembly.
Qu'il soit présenté en un ou plusieurs morceaux, le carter général, assurera avec l'aide des guidages appropriés ( roulements, coussinets, paliers etc ..) la qualité et la régularité du fonctionnement de l'ensemble tournant et la conduction de sa lubrification. Les éléments seront dimensionnés de telle sorte à résister aux efforts axiaux et radiaux, aux vibrations et autres contraintes de fonctionnement que l'on rencontre dans ce genre de montage, à haut régime et à forte température. Whether presented in one or more pieces, the general casing, with the help of the appropriate guides (bearings, bearings, bearings, etc.), will ensure the quality and regularity of the functioning of the rotating assembly and the conduction of its lubrication. The elements will be dimensioned so as to withstand the axial and radial forces, vibrations and other operating constraints that are encountered in this type of assembly, at high speed and at high temperature.
Enfin selon l'invention, un moteur d'entraînement Fig 1 rep 3, est accouplé à l'autre extrémité de l'arbre principal et généralement fixé au carter général. Ce moteur d'entraînement et son alimentation sont largement dimensionnés pour répondre aux efforts qui sont demandés par la mise en mouvement de l'ensemble tournant et sa régulation, le moteur étant équipé des dispositifs nécessaires pour permettre à tout moment la connaissance exacte de son régime de fonctionnement et en permettre la modulation. Finally according to the invention, a drive motor Fig 1 rep 3, is coupled to the other end of the main shaft and generally fixed to the general casing. This drive motor and its power supply are largely sized to meet the efforts required by setting the rotating assembly into motion and regulating it, the motor being equipped with the necessary devices to allow exact knowledge of its speed at any time. and allow modulation.
Le premier mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention correspond au démarrage du générateur:
Au stade repos, le moteur d'entraînement activé par son alimentation, met en mouvement l'ensemble tournant, provoquant ainsi la création d'une circulation d'air primaire élémentaire, proportionnelle à l'effet de la roue aspirante et donnant la possibilité de pulvériser par centrifugation la quantité requise de carburant.The first mode of operation of the device according to the invention corresponds to starting the generator:
At rest, the drive motor activated by its power supply sets the rotating assembly in motion, thus causing the creation of an elementary primary air circulation, proportional to the effect of the suction wheel and giving the possibility of spray the required amount of fuel by centrifugation.
Dans ces conditions il est donc possible de créer une flamme élémentaire dont l'énergie calorifique va entraîner la mise en mouvement de la turbine du générateur Fig 2 rep 7, qui par conséquence entraîne le compresseur principal Fig 2 rep 8, et provoquer un complément d'apport d'air primaire permettant d'augmenter l'apport en carburant et ainsi accroître la puissance de la flamme. La mise en mouvement va s'accélérer suivant une régulation progressive et contrôlée, à la fois en apport de carburant, et en variation du régime du moteur d'entraînement, jusqu'à atteindre un seuil d'autoentretient à partir duquel le compresseur fournit en quantité et en pression, l'air général et primaire, suffisamment pour se passer de l'action du moteur d'entraînement. Under these conditions it is therefore possible to create an elementary flame whose calorific energy will cause the turbine of the generator to move in motion Fig 2 rep 7, which consequently drives the main compressor Fig 2 rep 8, and cause an additional d 'primary air supply to increase the fuel supply and thus increase the power of the flame. The setting in motion will accelerate according to a progressive and controlled regulation, both in fuel supply, and in variation of the speed of the drive motor, until reaching a self-maintenance threshold from which the compressor provides quantity and pressure, the general and primary air, sufficient to dispense with the action of the drive motor.
Le second mode de fonctionnement, du dispositif selon l'invention, concerne le cycle général de fonctionnement du générateur et le place dans un mode de fonctionnement traditionnel passif:
Le seuil d'auto-entretient ayant été dépassé, le compresseur apporte suffisamment de masse d'air à la pression requise. Par construction, la roue aspirante se retrouve sous l'effet de cet apport et devient motrice à la place du moteur d'entraînement qui est désactivé voire désaccouplé. En devenant motrice elle produit l'effet nécessaire pour la centrifugation du carburant: la régulation de l'ensemble se faisant de manière traditionnelle principalement par la gestion du débit de carburant.The second operating mode, of the device according to the invention, relates to the general operating cycle of the generator and places it in a traditional passive operating mode:
The self-maintenance threshold having been exceeded, the compressor provides sufficient air mass at the required pressure. By construction, the suction wheel is found under the effect of this contribution and becomes driving instead of the drive motor which is deactivated or even uncoupled. By becoming motive it produces the effect necessary for the centrifugation of the fuel: the regulation of the assembly is done in the traditional way mainly by the management of the fuel flow.
Le troisième mode de fonctionnement, selon l'invention, concerne aussi le même cycle général mais place le générateur dans un mode de contrôle actif:
Dès lors que la roue aspirante devient motrice, sous l'effet de l'apport de l'air du compresseur, contrairement au deuxième mode, le moteur d'entraînement reste activé de telle sorte que l'on puisse l'accélérer si l'on veut compléter l'afflux d'air primaire ou au contraire le ralentir si l'on veut contrarier et réduire cet afflux. En utilisant la variation du régime moteur on a un moyen idéal qui permet l'ajustement de l'air primaire , à la quantité de carburant pulvérisée.The third operating mode, according to the invention, also relates to the same general cycle but places the generator in an active control mode:
As soon as the suction wheel becomes driving, under the effect of the supply of air from the compressor, unlike the second mode, the drive motor remains activated so that it can be accelerated if the we want to complete the inflow of primary air or on the contrary slow it down if we want to counteract and reduce this influx. By using the variation of the engine speed there is an ideal means which allows the adjustment of the primary air, to the quantity of fuel sprayed.
La régulation de l'ensemble, pouvant jouer à la fois sur le débit du carburant et sur celui de l'air primaire, ce mode de fonctionnement permet d'approcher à tout moment les conditions idéales de combustion pour un régime donné du générateur, comme il n'est pas permis de le faire dans le mode précédent et dans la présentation traditionnelle passive. The regulation of the assembly, being able to play at the same time on the flow of the fuel and that of the primary air, this mode of operation makes it possible to approach at any time the ideal conditions of combustion for a given engine speed, as it is not allowed to do this in the previous mode and in the traditional passive presentation.
Le dernier mode de fonctionnement, selon l'invention est un mode intermédiaire que l'on qualifie d'assisté. Il s'agit en fait d'un mode où le générateur est maintenu stabilisé à un régime inférieur au seuil d'auto-entretient. The last operating mode, according to the invention is an intermediate mode which is called assisted. It is in fact a mode where the generator is kept stabilized at a speed below the self-maintenance threshold.
On y parvient, soit, en interrompant le processus de démarrage, ou soit, inversement en interrompant le cycle d'arrêt, dés que l'on rencontre le régime choisi. This is achieved either by interrupting the start-up process or, conversely, by interrupting the stop cycle, as soon as the chosen speed is encountered.
La stabilisation est obtenue en maintenant l'équilibre de combustion par le jeu de la variation de l'action du moteur d'entrainement et l'effet de la roue aspirante qui lui est accouplé et par la régulation du débit de carburant. Dans ce cas la stabilisation ne peut pas se passer de l'action du moteur d'entrainement qui reste actif en permanence. Stabilization is obtained by maintaining the combustion balance through the play of the variation of the action of the drive motor and the effect of the suction wheel which is coupled to it and by the regulation of the fuel flow. In this case stabilization cannot do without the action of the drive motor which remains active permanently.
Ce mode de fonctionnement assisté, convient pour les régimes de ralentis, mais devient un mode de fonctionnement général pour certains type de générateurs, miniatures, ou de faible puissance, ou trés particuliers. This assisted operating mode is suitable for slowed-down modes, but becomes a general operating mode for certain types of generators, miniatures, or of low power, or very specific.
Par son mode de fonctionnement assisté, le dispositif selon l'invention devient essentiel pour le fonctionnement de générateurs, où l'apport d'énergie calorifique représente le complément à l'apport de l'énergie électrique fait au système. By its assisted operating mode, the device according to the invention becomes essential for the operation of generators, where the supply of heat energy represents the complement to the supply of electrical energy made to the system.
Le dispositif selon l'invention doit amener à la reconception de certains turbomoteurs, turboréacteurs, ou autres générateurs, en particulier si l'amélioration du rendement est significative, si les normes de pollutions exigent son utilisation et en tous les cas chaque fois que l'on veut résoudre d'une manière simple la mise en route générale du générateur, soit dans tous les cas pour une amélioration des coûts de production, soit dans les cas de moteurs miniatures quand on ne peut faire autrement. The device according to the invention must lead to the redesign of certain turboshaft engines, turbojets, or other generators, in particular if the improvement in efficiency is significant, if the pollution standards require its use and in any case whenever the we want to solve in a simple way the general start-up of the generator, either in all cases to improve production costs, or in the case of miniature engines when we cannot do otherwise.
Il permet de concevoir de nouvelles formes de générateurs, utilisant essentiellement le mode de fonctionnement assisté. It makes it possible to design new forms of generators, essentially using the assisted operating mode.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR9612264A FR2754333A1 (en) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | Centrifugal injector for gas turbine combustor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR9612264A FR2754333A1 (en) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | Centrifugal injector for gas turbine combustor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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FR2754333A1 true FR2754333A1 (en) | 1998-04-10 |
Family
ID=9496473
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR9612264A Pending FR2754333A1 (en) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | Centrifugal injector for gas turbine combustor |
Country Status (1)
Country | Link |
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FR (1) | FR2754333A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR3066553A1 (en) * | 2017-05-22 | 2018-11-23 | Bernard Etcheparre | CENTRAL INJECTOR WITH RADIAL TOURBILLONNEURS |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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GB662785A (en) * | 1949-02-25 | 1951-12-12 | Armstrong Siddeley Motors Ltd | Liquid fuel combustion chambers |
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-
1996
- 1996-10-03 FR FR9612264A patent/FR2754333A1/en active Pending
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