FR2887597A1 - Conduite annulaire et bruleur comportant une telle conduite - Google Patents

Conduite annulaire et bruleur comportant une telle conduite Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une conduite annulaire délimitée par deux tubes dont les axes sont parallèles et qui sont mobiles axialement l'un par rapport à l'autre, un premier tube portant des organes de déviation (6) adaptés à conférer une composante tangentielle (7) à un fluide s'y déplaçant. Selon l'invention, le deuxième tube est conformé de sorte que l'angle de déviation tangentielle du fluide à l'extrémité aval de la conduite dépend de la position axiale du second tube par rapport au premier.

Description

CONDUITE ANNULAIRE ET BRULEUR COMPORTANT UNE TELLE
CONDUITE
La présente invention concerne une conduite annulaire ainsi qu'un brûleur comprenant une telle conduite, le brûleur pouvant être un brûleur à air primaire, un brûleur à air total, un brûleur à gaz...
On connaît une conduite annulaire du type délimitée par deux tubes dont les axes sont parallèles et qui sont mobiles axialement l'un par rapport à l'autre, un premier tube portant des organes de déviation adaptés à conférer une composante tangentielle à un fluide se déplaçant dans la conduite.
Une telle conduite est couramment utilisée dans des brûleurs, notamment dans des brûleurs à air primaire tels que ceux décrits dans la demande EP 967 434. En effet, dans les brûleurs modernes tels que ceux décrits dans cette demande, afin d'améliorer la combustion, les conduites d'alimentation en combustible sont entourées de deux conduites périphériques d'alimentation en air primaire générant un flux tourbillonnaire (ou hélicoïdal), l'une de ces conduites ne comportant pas d'organes de déviation de sorte que l'air qui y circule en sort selon un flux axial, alors que l'autre comporte de tels organes de sorte que l'air qui y circule en sort selon un flux rotatif autour de l'axe du brûleur. La qualité de l'amélioration apportée par ces deux conduites périphériques dépend des réglages qu'il convient de faire, notamment en ce qui concerne les débits d'air primaire qu'elles apportent: d'une part le débit total de l'air apporté par ces deux conduites périphériques par rapport aux débits des autres constituants (combustibles et air primaire central), et, d'autre part, le rapport de ces deux débits d'air primaire périphérique qui permet de moduler l'effet tourbillonnaire. Le réglage des deux débits est particulièrement délicat et nécessite que l'utilisateur soit particulièrement qualifié.
De plus, du fait de la présence des deux conduites périphériques d'alimentation en air, ces brûleurs sont particulièrement lourds, volumineux, complexes (au niveau de la partie en amont des conduites pour permettre leur alimentation) et coûteux.
Par ailleurs, ces brûleurs ont une perte de charge relativement importante du fait que l'air primaire périphérique frotte contre quatre parois (deux par conduites).
Une première solution a consisté à supprimer la conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux axial. Cependant, dans ce cas, il n'est plus possible de régler l'importance de la composante tangentielle du flux tourbillonnaire.
Une seconde solution a consisté à améliorer la première solution en décomposant l'unique conduite d'alimentation périphérique en air primaire en un tronçon amont (sans organe de déviation), un tronçon aval (sans organe de déviation), et des conduites flexibles disposées entre les deux tronçons et régulièrement réparties autour de l'axe du brûleur. Une rotation relative des deux tronçons entraîne une torsion des conduites flexibles qui permettent ainsi de conférer une composante tangentielle plus ou moins importante au fluide en sortie du tronçon aval. Le problème principal de cette solution concerne les conduites flexibles qui sont des pièces mobiles et déformables dans une zone chaude, qui sont soumises à l'usure et à la rupture, notamment quand l'air circulant est chargé de poussières.
La présente invention vise à réaliser, d'une part, un brûleur offrant la même possibilité de réglage du flux tourbillonnaire que les brûleurs ayant deux conduites périphériques d'alimentation en air, sans avoir les inconvénients précités, et, d'autre part, une conduite annulaire permettant d'avoir un tel brûleur.
Selon l'invention, dans la conduite annulaire du type précité, le deuxième tube est conformé de sorte que l'angle de déviation tangentielle du fluide à l'extrémité aval de la conduite dépend de la position axiale du second tube par rapport au premier.
Ainsi, selon l'invention, pour un débit donné d'air circulant dans la conduite, il est possible de modifier la composante tangentielle du fluide par un simple déplacement axial relatif des deux tubes, sans que la conduite ne comprenne d'éléments mobiles par rapport à ces deux tubes. De plus, la mobilité axiale des deux tubes ne présente pas les inconvénients des tubes flexibles antérieurement proposés.
D'autres particularités et avantages apparaîtront dans la description détaillée du mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et illustré dans les dessins annexés.
La figure 1 est une vue en coupe axiale de la partie aval d'une conduite conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, le premier tube étant dans une position avancée, La figure 2 est une vue similaire à la figure 1, le premier tube étant dans une position reculée, La figure 3 est une vue similaire à la figure 1, d'une conduite conforme à un second mode de réalisation de la présente invention, La figure 4 est une vue similaire à la figure 3, le 5 premier tube étant dans une position reculée, La figure 5 est une vue déroulée de la partie aval du premier tube, La figure 6 est une vue de coupe axiale partielle d'une partie du premier tube et des organes de déviation, 10 et La figure 7 est une vue partielle d'un brûleur en coupe axiale comportant une conduite annulaire conforme au second mode de réalisation de la présente invention.
Une conduite annulaire 1 conforme à la présente invention est délimitée par deux tubes 2,3 dont les axes 4 sont parallèles (en l'occurrence, les deux tubes 2,3 sont coaxiaux) et qui sont mobiles selon la direction axiale 5 l'un par rapport à l'autre.
Un premier tube 2 (en l'occurrence le tube interne 2) porte des organes de déviation 6 qui sont adaptés à conférer une composante selon la direction tangentielle 7 à un fluide se déplaçant dans la conduite. Le deuxième tube 3 (en l'occurrence le tube externe 3) est conformé de sorte que l'angle de déviation tangentielle du fluide à l'extrémité aval 8 de la conduite 1 dépend de la position axiale du second tube 3 par rapport au premier 2.
Comme on peut le voir aux figures 1 et 2, dans les présents exemples, le second tube 3 comprend une portion d'entraînement 9 qui est adaptée à permettre l'entraînement du fluide hors des organes de déviation 6, et ainsi à permettre au fluide d'avoir à l'extrémité aval 8 de la conduite 1 sensiblement la même déviation tangentielle qu'à sa sortie des organes de déviation 6. La modification de l'angle de déviation tangentielle du fluide est réalisée par le déplacement axial de la portion d'entraînement 9 par rapport aux organes de déviation 6.
La portion d'entraînement 9 est orientée, selon la direction radiale 10, dans le sens d'un éloignement du premier tube 2 pour un déplacement selon la direction axiale 5 de l'amont vers l'aval (du fait que le second tube 3 est le tube externe, la portion d'entraînement 9 est divergente). Ici, la portion d'entraînement 9 est une portion conique 9.
Dans les présents modes de réalisation, la modification de l'angle de déviation tangentielle du fluide est facilitée par l'application de l'effet Coanda. Plus précisément, le second tube 3 est conformé de façon à permettre un plaquage des filets du fluide contre sa paroi par effet Coanda. Afin de pouvoir utiliser cet effet, dans les présents modes de réalisation, le demi angle 11 au sommet du cône est inférieur à 15 . De ce fait, à partir de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9, le fluide suit la paroi du second tube 3 et, vu son orientation, se libère des organes de déviation 6 du premier tube 2. Ainsi, en fonction de la position axiale de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9 par rapport aux organes de déviation 6, le fluide acquiert une composante tangentielle plus ou moins importante.
Les organes de déviation 6 sont fixes par rapport au premier tube 2, et, dans le présent cas, ils sont formés par des canaux 6 réalisés par usinage (par exemple, par fraisage) du premier tube 2. Ce tube peut comporter, par exemple entre 8 et 36 canaux 6.
Chaque canal 6 est délimité par une paroi de fond 13 et par deux parois longitudinales 14. La paroi de fond 13 s'étend selon les directions axiale 5 et tangentielle 7 et, de ce fait, est de forme cylindrique. Les deux parois longitudinales 14 s'étendent selon les directions axiale 5 et radiale 10 et elles présentent, par rapport à l'axe 4 du premier tube 2, un angle de déviation tangentielle 15 comme on peut le voir à la figure 3.
Afin d'avoir en sortie de la conduite 1 un fluide ayant un bon comportement tourbillonnaire dans le cas où il est utilisé dans un brûleur, pour chaque canal 6, en tout point dans la direction axiale 5, l'angle de la déviation tangentielle 15 est inférieure à 45 .
Afin de pouvoir avoir une large amplitude de flux tangentiel en sortie de la conduite 1, pour chaque canal 6, l'angle de la déviation tangentielle 15 en un point pris selon la direction axiale 5 varie en fonction de la distance de ce point avec l'extrémité aval 16 du premier tube 2. Et plus précisément, pour chaque canal 6, l'angle de déviation tangentielle 15 croît de l'extrémité amont 17 du canal 6 à son extrémité aval 18. De ce fait, en fonction de la position de la portion d'entraînement 9 par rapport au canal 6, il est possible de modifier très simplement la composante tangentielle du fluide en sortie de la conduite, plus ce fluide ayant été libéré des canaux 6 en amont, plus sa composante tangentielle est faible (et correspond à l'angle de déviation tangentielle 15 du canal 6 au point axial où le fluide sort de ce dernier (le canal 6 étant ouvert en direction du second tube 3). De plus, en configurant chaque canal 6 de sorte que son angle de déviation tangentielle 15 soit nul (ou sensiblement nul) à son extrémité amont 17, il est possible d'avoir, en sortie de la conduite 1, un fluide à flux axial.
Comme on peut le voir aux figures 1 à 4, les parois longitudinales 14 ont, dans la direction radiale 10 une dimension telle que leur extrémité radiale libre 19 ne frotte pas contre le second tube 3. Ainsi, la distance radiale entre l'extrémité radiale libre 19 des parois longitudinales 14 et la portion 20 du second tube 3 en amont de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9 est au moins égale à 0,5 mm.
On comprend que, par du fait de l'application de l'effet Coanda, quelle que soit la position axiale relative des deux tubes 2,3, à partir de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9, en ce qui concerne la partie du fluide jusqu'alors canalisée (la partie du fluide qui en amont de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9, était entre les parois longitudinales 14), une portion (la portion la plus proche de l'extrémité radiale libre 19) se libère du canal 6, et cette portion devient de plus en plus importante au fur et à mesure que le fluide longe la portion d'entraînement 9, jusqu'à atteindre un point axial de libération 20 où sensiblement l'ensemble de la partie du fluide jusqu'alors canalisée quand la distance radiale séparant la portion d'entraînement 9 de l'extrémité radiale libre 19 atteint la dimension radiale des parois longitudinales 14.
En conséquence, la partie des canaux 6 qui est en aval du point axial de libération 20 est inutilisée (pour une position axiale relative des deux tubes 2,3 donnée).
Dans le premier exemple illustré aux figures 1 et 2, pour chaque canal 6, la surface de fond 13 présente une partie extrême aval 21 qui est orientée, selon la direction radiale 10, dans le sens d'un rapprochement du second tube 3 pour un déplacement selon la direction axiale 5 de l'amont vers l'aval. Ici, cette orientation est telle qu'à l'extrémité aval 18 des canaux 6, la paroi de fond 13 atteint l'extrémité radiale libre 19 des parois longitudinales 14 de sorte que, la dimension radiale des parois longitudinales y est nulle.
Dans le second exemple illustré aux figures 3 et 4, chaque canal 6 débouche à l'extrémité aval 16 du premier tube 2 (qui est alors également l'extrémité aval 18 des canaux 6), comme illustré par ailleurs à la figure 7.
Par ailleurs, la distance radiale entre l'extrémité radiale libre 19 des parois longitudinales 14 et la portion 20 du second tube 3 en amont de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9 peut être relativement importante (aussi bien dans l'absolu, par exemple au moins égale à 10 mm, que relativement à la dimension radiale des parois longitudinales). De ce fait, il est possible d'avoir, en sortie de la conduite 1, une partie du fluide dont le flux est axial, quelle que soit la position axiale relative des deux tubes 2,3. Cette partie est celle qui n'a pas été canalisée (ou qui a été canalisée sur la portion axiale des canaux 6 dont l'angle de déviation tangentielle 15 est nulle), c'est à dire la partie du fluide qui en amont de l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9, était entre le second tube 3 et l'extrémité radiale libre 19 des parois longitudinales 14.
De plus, du fait de la variation de l'angle de déviation tangentielle 15 le long de l'axe 4 du premier tube 2, si l'écartement entre les deux parois longitudinales 14 d'un canal 6 est constant sur toute la longueur du canal 6, le débit de fluide en sortie des canaux 6 varie en fonction de la position axiale relative des deux tubes 2,3 (en fonction de l'angle de déviation tangentielle 15 à la sortie du canal 6). Aussi, afin d'avoir un débit constant quelle que soit la position axiale relative des deux tubes 2,3, comme on peut le voir à la figure 5, chaque canal 6 est configuré de sorte que l'écartement entre ses deux parois longitudinales 14 en un point pris selon l'axe 4 du premier tube 2, varie en fonction de l'angle de déviation tangentielle 15 en ce point de façon à avoir une section utile 22 de sortie du canal 6 à l'extrémité amont 12 de la portion d'entraînement 9 sensiblement constante. La section utile 22 étant égale au produit de la section droite 23 par le cosinus de l'angle de déviation tangentielle 15.
En outre, afin d'avoir en sortie de la conduite 1 un flux ne déviant pas par rapport à l'axe 4 de la conduite 1 (en l'occurrence, le second tube 3 étant le tube externe, afin que le flux ne soit pas divergent), le second tube 3 comprend une portion cylindrique 24 prolongeant l'extrémité aval 25 de la portion d'entraînement 9. De préférence, afin que cette portion ait un effet de redressement suffisant, sa longueur est au moins supérieure à trois fois la distance séparant les deux tubes 2,3 au niveau de cette portion cylindrique aval 24.
Une telle conduite 1 peut être intégrée dans tout brûleur comportant plusieurs conduites sensiblement concentriques du fait quelle permet de pouvoir faire varier de façon très simple la composante tangentielle du fluide en sortie en fonction de la position axiale relative des deux tubes 2,3 délimitant cette conduite 1, et cette variation pouvant ne pas entraîner de variation de débit dans le cas où les organes de déviation 6 sont dans une configuration qui s'y prête.
Le brûleur peut être du type à air partiel. Il peut par exemple comprendre au moins quatre conduites sensiblement coaxiales, ces quatre conduites comprenant une conduite centrale d'alimentation en combustible, une conduite centrale d'alimentation en air primaire entourant la conduite centrale d'alimentation en combustible, une conduite périphérique d'alimentation en combustible entourant la conduite centrale d'alimentation en air primaire, et une conduite annulaire d'alimentation en air primaire conforme à la présente invention située à l'extérieur de toutes les conduites en alimentation en combustible, le brûleur comportant un stabilisateur central qui recouvre la sortie de la conduite centrale d'alimentation en air primaire, et qui comporte des ouvertures au travers desquelles débouchent l'air primaire provenant de la conduite centrale d'alimentation en air primaire. En fait ce brûleur correspond à celui décrit dans la demande EP 967 434, la conduite conforme à la présente invention remplaçant les deux conduites externes.
Il peut également comprendre au moins quatre conduites sensiblement coaxiales, ces quatre conduites comprenant une conduite centrale d'alimentation en combustible, une conduite annulaire d'alimentation en combustible solide pulvérisé entourant la conduite centrale d'alimentation en combustible, une conduite annulaire centrale d'alimentation en air primaire entourant la conduite d'alimentation en combustible solide pulvérisé, et une conduite annulaire périphérique d'alimentation en air primaire conforme à la présente invention qui entoure la conduite annulaire centrale d'alimentation en air primaire, le brûleur comportant un stabilisateur central, placé à la sortie de la conduite centrale annulaire d'alimentation en air primaire, et qui comportant des ouvertures au travers desquelles débouchent l'air primaire provenant de la conduite centrale d'alimentation en air primaire. Ce brûleur correspond alors à celui décrit dans la demande EP 1 445 535, la conduite conforme à la présente invention remplaçant les deux conduites externes.
Le brûleur peut être également du type à air total, la conduite annulaire d'alimentation en air primaire conforme à la présente invention étant entourée d'au moins une conduite d'alimentation en air secondaire.
Le brûleur peut également du type à gaz comprenant au moins deux conduites sensiblement coaxiales, ces deux conduites comprenant une conduite annulaire périphérique d'alimentation en gaz conforme à la présente invention qui entoure l'autre conduite.
La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit.
Il serait ainsi possible que le premier tube (celui portant les organes de déviation) soit le tube externe, le second tube étant alors le tube interne.
Il serait possible que les canaux soient réalisés par fixation de parois longitudinales (par exemple par soudage) au premier tube.

Claims (14)

REVENDICATIONS
1. Conduite annulaire (1) délimitée par deux tubes (2,3) dont les axes (4) sont parallèles et qui sont mobiles axialement (5) l'un par rapport à l'autre, un premier tube (2) portant des organes de déviation (6) adaptés à conférer une composante tangentielle (7) à un fluide se déplaçant dans la conduite (1), caractérisée en ce que le deuxième tube (3) comprend une portion d'entraînement (9) adapté à permettre l'entraînement du fluide hors des organes de déviation (6), l'angle de déviation tangentielle du fluide à l'extrémité aval (8) de la conduite (1) dépendant de la position axiale du second tube (3) par rapport au premier (2).
2. Conduite annulaire (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second tube (3) est conformé de façon à permettre un plaquage des filets du fluide contre sa paroi par effet Coanda.
3. Conduite annulaire (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le second tube (3) comprend une portion d'entraînement (9) qui est orientée, selon la direction radiale (10), dans le sens d'un éloignement du premier tube (2) pour un déplacement selon la direction axiale (5) de l'amont vers l'aval.
4. Conduite annulaire (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion d'entraînement (9) est une portion conique (9), le demi angle (il) au sommet du cône étant inférieur à 15 .
5. Conduite annulaire (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le second tube (3) comprend une portion cylindrique (24) prolongeant l'extrémité aval (25) de la portion d'entraînement (9).
6. Conduite annulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les organes de déviation (6) sont formés par des canaux (6), chaque canal (6) étant délimité, d'une part, par une paroi de fond (13), et, d'autre part, deux parois longitudinales (14) qui s'étendent selon les directions axiale (5) et radiale (10) et présentent, par rapport à l'axe (4) du premier tube (2), une déviation tangentielle (15).
7. Conduite annulaire (1) selon la revendication 6, caractérisée en ce que, pour chaque canal (6), l'angle de la déviation tangentielle (15) est sensiblement nulle à son extrémité amont (17).
8. Conduite annulaire (1) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que, pour chaque canal (6), l'angle de la déviation tangentielle (15) croît de l'extrémité amont (17) du canal (6) à son extrémité aval (18).
9. Conduite annulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que, pour chaque canal (6), en tout point selon la direction axiale (5), l'angle de la déviation tangentielle (15) est inférieure à 45 .
10. Conduite annulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que chaque canal (6) débouche à l'extrémité aval (16) du premier tube (2).
11. Conduite annulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que, pour chaque canal (6), la surface de fond (13) de sa partie extrême aval (21) est orientée, selon la direction radiale (10), dans le sens d'un rapprochement du second tube (3) pour un déplacement selon la direction axiale (5) de l'amont vers l'aval.
12. Conduite annulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que, pour la partie des canaux (6) en amont de l'extrémité amont (12) de la portion d'entraînement (9), la dimension radiale des parois longitudinales (14) est telle que leur extrémité radiale libre (19) est a une distance comprise entre 0,5 et 10 mm du second tube (3).
13. Conduite annulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que, pour chaque canal, l'écartement entre les deux parois longitudinales (14) en un point varie en fonction de l'angle de déviation tangentielle (15) en ce point de façon à avoir une section de sortie utile du canal (6) à l'extrémité amont (12) de la portion d'entraînement (9) sensiblement constante quelle que soit la position axiale relative des deux tubes (2,3).
14. Brûleur comportant plusieurs conduites sensiblement concentriques, caractérisé en ce que l'une (1) des conduites annulaires est conforme à l'une des revendications 1 à 13 et permet l'alimentation en un fluide dont le rapport de sa composante tangentielle sur sa composante axiale est fonction de la position axiale relative des deux tubes (2,3) délimitant cette conduite (1).
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