FR2928441A1 - Injecteur de carburant a air pur comprime - Google Patents
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Abstract
Un injecteur de carburant (100) pour une turbine à gaz comprend un passage d'air extérieur (106) possédant une partie de sortie convergente (104), et un passage de carburant (120) à l'intérieur du passage d'air extérieur (106). Un passage d'air intérieur (118) à l'intérieur du passage de carburant (120) comprend une paroi extérieure possédant une région de sortie convergente (114) et entoure une conduite centrale axiale (124) définissant un passage d'air axial possédant une région de sortie divergente (125). Le passage d'air intérieur (118) crée une chute de pression près d'une ouverture d' injection de carburant pour favoriser le mélange et l'atomisation de carburant sur une gamme de niveaux de puissance, y compris le fonctionnement à faible puissance.
Description
INJECTEUR DE CARBURANT À AIR PUR COMPRIMÉ Domaine de l'invention La présente invention concerne des injecteurs et gicleurs de carburant pour applications à haute température, et plus particulièrement, des injecteurs et gicleurs de carburant pour des moteurs à turbine à gaz utilisés dans des aéronefs.
Etat de la technique Une variété de dispositifs et procédés sont connus dans l'art pour injecter du carburant dans des moteurs à turbine à gaz. Parmi de tels dispositifs, de nombreux concernent l'injection de carburant dans des chambres de combustion de moteurs à turbine à gaz dans des conditions de haute température. Les turbines à gaz sont utilisées dans une variété d'applications y compris la génération d'énergie électrique, l'aviation militaire et commerciale, la transmission par conduite de transport et le transport marin. Un problème courant associé aux gicleurs de carburant pour turbines à gaz est la difficulté associée aux performances à faibles débits de carburant et/ou écoulement d' air et à la chute ce pression à travers la chambre de combustion. Les atomiseurs à air comprimé à formation de préfilm sont une approche préférée pour les systèmes de combustion fonctionnant à hautes pressions du fait qu'ils nécessitent des pressions moins importantes de pompe à carburant et produisent une pulvérisation finement atomisée bien mélangée dans des conditions de fonctionnement standard. Il existe plusieurs problèmes techniques associés au :30 procédé de combustion dans des moteurs à turbine à gaz.
Ces problèmes comprennent, par exemple, le rendement thermique du brûleur/de la chambre de combustion, un mélange correct du carburant et de l'air, la stabilisation de flamme, l'élimination de pulsations et de bruit, et le contrôle d'émissions polluantes, particulièrement les oxydes d'azote (NO,). La stabilisation de flamme fait référence à la fixation de la position et de l'intensité de la flamme à l'intérieur du brûleur afin d'éliminer les pulsations et de réduire le bruit, entre autres. Une combustion stable particulièrement dans des points d'extinction pauvre dans des moteurs à turbine à gaz nécessite un procédé cyclique de combustion produisant des produits, c'est-à-dire, de la chialeur et des radicaux libres, qui sont transportés de retour en amont jusqu'au point d'amorce de flamme pour faci=.iter le procédé de combustion. Il est actuellement connu de fournir de l'air tourbillonnant au mélange carburant-air afin d'améliorer la stabilisation de flamme et ainsi stabiliser le procédé de combustion. Des écoulements de combustion stabilisés tourbillonnants facilitent la combustion en développant un écoulement inversé autour de l'axe central du brûleur, qui renvoie la chaleur et les radicaux libres en amont jusqu'au mélange carburant-air non brûlé.
La demande de brevet US n° 2005/0106520 (Cornwell, et al.), décrit un dispositif pour stabiliser la combustion dans des moteurs à turbine à gaz. Un support de flamme à corps central à large surface exposée s'étend à travers une chambre de mélange qui comprend une pluralité d'aubes de tourbillonnement pour faire tourbillonner l'air. Le carburant injecté dans l'écoulement tourbillonnant est mélangé avec de l'air pour une combustion en aval. Le corps central à large surface exposée coopère avec un entourage de brûleur pour ancrer la flamme au corps à large surface exposée et stabiliser la flamme dans une plage importante de conditions de fonctionnement, y compris des rapports carburant/air fluctuants. Cette conception apporte une flexibilité et robustesse dans le fonctionnement du moteur, tout en maintenant de faibles émissions de NOx. Un autre problème associé aux turbines à gaz est la difficulté associée à l'amorce de l'allumage de carburant au cours de cycles de démarrage de moteur et, pour l'aviation, les rallumages en altitude. Au cours de ces cycles de démarrage, le carburant doit être présenté dans un état suffisamment atomisée pour amorcer et supporter l'allumage. Cependant, au démarrage de moteur, lorsque le moteur accélère progressivement, la pression de carburant et/oL d'air nécessaire pour atomiser le carburant n'est généralement pas disponible. Une gamme importante de dispositifs et procédés d'injection de carburant a été développée pour améliorer l'atomisation de carburant au cours de séquences d'allumage de moteur et aux points d'extinction pauvre. Une approche a été d'utiliser des atomiseurs assistés par air ou à air comprimé pour faciliter le procédé d'atomisation.
Un exemple d'atomiseur assisté par air pour moteurs à turbine à gaz est décrit dans le brevet US 6 688 534 de Bretz. Le système de distribution de carburant comprend des dispositifs de tourbillonnement d'air intérieur et extérieur avec un orifice d'injection de carburant entre :30 ceux-ci. Des courants rotatifs d'air à partir des d__spcsitifs de tourbillonnement d'air intérieur et extérieur entourent et cisaillent le carburant sortant des orifices d'injection de carburant entre ceux-ci pour atomiser le carburant pour la combustion. L'atomiseur assisté par air utilise un circuit d'assistance par air où l'air d' atomisation au cours de l'allumage est complété par une source externe separée. L'air d'assistance à haute pression est acheminé à travers un jeu c'aubes pour provoquer un tourbillonnement et mélangé avec l'air de refoulement de compression à basse pression pour améliorer le procédé d'atomisation de carburant pour :LO faciliter allumage. Une autre manière d'améliorer les émissions et le rendement de moteur est d'utiliser une combustion étagée. Un exemple d'atomiseur à injection directe pauvre pour moteurs à turbine à gaz est décrit dans la demande de :L5 brevet US n° 2006/0248898 (Buelow et al.). Le gicleur de carburant à injection directe de mélange pauvre comprend un système de distribution de carburant extérieur principal et un système de distribution de carburant pilote intérieur. Chacun des systèmes de distribution de 20 carburant principal et pilote comprend des dispositifs de tourbillonnement d'air intérieur et extérieur avec un orifice d'injection de carburant entre ceux-ci. Des courants rotatifs d'air à partir des dispositifs de tourbillonnement d'air intérieur et extérieur entourent 25 et cisaillent le carburant sortant des orifices d'injection de carburant entre ceux-ci pour atomiser le carburant pour la combustion. Au cours du fonctionnement à faible puissance, seulement la zone de combustion pilote est alimentée en carburant, et au cours de 30 fonctionnement à haute puissance, les deux zones de combustion pilote et principale sont alimentées en carburant. La zone de combustion pilote fournit un fonctionnement à faible puissance ainsi qu'une stabilité de flamme satisfaisante à un fonctionnement à haute puissance. La zone de combustion principale fonctionne dans un mode pauvre de carburant pour une température de flamme réduite et une faible formation de polluant, particulièrement du NON. Au cours du fonctionnement à haute puissance, la source d'allumage pour le mélange carburant-air principal provient de la zone de combustion pilote.
Un autre exemple de gicleur d'injection de carburant est représenté sur la figure 1. Le gicleur 1 comprend une extrémité amont 2 et une extrémité aval 3. Un dispositif de tourbillonnement d'air intérieur 4 et un dispositif de tourbillonnement d'air extérieur 5 apportent un :L5 tourbillonnement à l'air passant à travers à partir d' un compresseur en amont. Ceci crée un tourbillon de plus en plus grand où l'air sort du gicleur de carburant. L' air tourbillonnant entraîne du carburant à partir d'une sortie de carburant 6 et la dilatation volumétrique 20 résultante associée à l'écoulement de tourbillon déforme davartage la feuille de carburant, cisaillant la feuille de carburant en gouttelettes. Au fur et à mesure que le tourbillon progresse dans la chambre de combustion en aval de gicleur 1, le gradient de pression devient tel 25 que le tourbillon ne peut pas se supporter et il s'effondre. Par conséquent, le tourbillon recircule le long de l'axe central à basse pression du tourbillon. Typiquement, le tourbillon aura une tendance à être instable autour de son axe central. Les injecteurs à air 30 pur comprimé de l'art antérieur utilisent une région de sillage à partir d'un corps central d'un dispositif de tourbillonnement axial, tel que le corps central 7, pour aider à stabiliser l'axe central du tourbillon. En variante, dans le cas d'un dispositif de tourbillonnement d'admission radial (non représenté), une région de basse pression à partir de l'entrée a été utilisée pour aider à stabiliser l'axe central du tourbillon. Du carburant est introduit par l'intermédiaire d'une chambre de formation de préfilm (en amont de sortie de carburant 6) servant à cisailler un carburant injecté angulairement en une feuille uniforme. Cette feuille uniforme continue le long de la surface de formation de préfilm jusqu'à un espace annulaire de sortie de carburant 6, point auquel le carburant entre dans un courant d'air à écoulement transversal. Le courant d'air à écoulement transversal possède une énergie cinétique bien plus élevée qui a une interaction avec et excite la feuille de carburant à faible énergie cinétique. Cette interaction cisaille et accélère la feuille de carburant, créant de multiples modes d'instabilité, qui finissent par entraîner la rupture de la feuille de carburant en faisceaux de carburant. Ces faisceaux de carburant sont de façon similaire excités et rompus en gouttelettes. Ceci est le mode primaire de formation de gouttelettes, qui nécessite que le courant d'air à écoulement transversal ait une énergie suffisante pour entraîner une excitation. Plus le transfert d'énergie de l'air au carburant est efficace, plus le diamètre des gouttelettes est faible, ce qui inévitablement entraîne un mélange carburant/air plus uniforme qui brûle plus facilement, étant donné un rapport carburant/air adéquat. Dans des conditions de puissance plus faible, cependant, il y a moins de quantité de mouvement dans l'air de refoulement de :ompresseur, entraînant une insuffisance de la capacité à exciter le film de carburant, ce qui donc entraîne des gouttelettes qui ne sont pas suffisamment petites. De tels procédés et systèmes conventionnels ont généralement été considérés satisfaisants pour leur objectif prévu. Cependant, un besoin continu demeure dans l'art. en ce qui concerne un gicleur ou injecteur de carburant qui permette une excitation améliorée du film de carburant dans des conditions de faible puissance. La présente invention fournit une solution pour ces problèmes.
Objet: de l'invention La présente invention concerne un injecteur de carburant à air comprimé nouveau et utile pour des moteurs à turbine à gaz. L'injecteur de carburant à air comprimé comprend un passage d'air extérieur possédant une partie de sortie convergente, et un passage de carburant à l'intérieur du passage d'air extérieur. :20 L'injecteur comprend en outre un passage d'air intérieur à l'. intérieur du passage de carburant qui comprend une paroi extérieure possédant une région de sortie convergente. Le passage d'air intérieur entoure une conduite centrale axiale. La conduite centrale axiale 25 définit un passage d'air axial avec une région de sortie divergente. Dans un mode de réalisation préféré, la région de sortie divergente de la conduite centrale axiale est généralement coextensive avec la partie de sortie 30 convergente du passage d'air intérieur. Il est également envisagé que la région de sortie divergente de la conduite centrale axiale puisse se terminer à un positionnement approprié quelconque en amont ou en aval d'une extrémité terminale de la partie de sortie convergente du passage d'air intérieur. Il est envisagé que le passage de carburant puisse comprendre un dispositif de tourbillonnement de carburant amont et une surface de formation de préfilm avale. Le passage de carburant peut comprendre un injecteur de formation de préfilm possédant une sortie de carburant à proximité de la partie de sortie convergente du passage d'air extérieur. Le passage d'air extérieur peut comprendre un dispositif de tourbillonnement d'air. Il est également possible que le passage d'air extérieur comprenne un dispositif de tourbillonnement d'air double. Un dispositif de tourbillonnement d'air axial peut :L5 être disposé entre la paroi extérieure du passage d'air intérieur et la conduite centrale axiale. Dans un tel cas, le dispositif de tourbillonnement d'air axial peut comprendre des aubes configurées pour fournir un angle d'écculement compris entre environ 0° et environ 60° par 20 rapport à un axe central défini par le dispositif de tourbillonnement axial. Le dispositif de tourbillonnement d'air axial peut être dimensionné pour acheminer entre environ 50 % et environ 95 % de débit massique de passage d'air intérieur à travers le dispositif de 25 tourbillonnement d'air axial, avec le reste du débit massique acheminé à travers la conduite centrale axiale. Il est envisagé qu'un injecteur de carburant à air comprimé selon l'invention puisse comprendre un dispcsitif de tourbillonnement central adjacent à une 30 extrémité amont de la conduite centrale axiale. Dans un tel cas, le dispositif de tourbillonnement central peut être un dispositif de tourbillonnement d'air axial, un dispositif de tourbillonnement radial, ou tout autre type approprié de dispositif de tourbillonnement. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de tourbillonnement central comprend un alésage central définissant un passage d'écoulement le long d'un axe central du dispositif de tourbillonnement central. En outre, il est également envisagé qu'au moins une ouverture radiale excentrée puisse être définie dans la conduite centrale axiale de façon adjacente à la région :LO de sortie divergente de celle-ci. Une pluralité de telles ouvertures excentrées peuvent communiquer entre un dispositif de tourbillonnement axial intérieur et le passage d'air axial, la pluralité d'ouvertures excentrées étant configurées et adaptées pour fournir un 15 tourbillonnement sur un écoulement sortant de la conduite centrale axiale. Celles-ci et d'autres caractéristiques de l'injecteur de carburant et système de la présente invention deviendront plus évidentes pour l'homme du 20 métier à partir de la description détaillée suivante des modes de réalisation préférés, considérée conjointement aux dessins.
Description des figures 25 Pour que l'homme du métier auquel appartient la présente invention comprenne facilement la manière de fabriquer et d'utiliser l'injecteur de carburant de la présente invention sans expérimentation inutile, des modes de réalisation préférés de celle-ci vont être 30 décrits en détail ci-dessous en faisant référence à certaines figures, sur lesquelles : la figure 1 est une vue en élévation latérale en coupe transversale d'une buse d'injecteur de carburant à air comprimé de l'état de la technique, représentant le corps central solide d'un dispositif de tourbillonnement axial dans le passage d'air intérieur ; la figure 2 est une vue en élévation latérale en coupe transversale d'un premier mode de réalisation représentatif d'une buse construite selon la présente invention, représentant une conduite centrale axiale dans le passage d'air intérieur ; IO la figure 3 est une vue en élévation latérale en coupe transversale de la buse de la figure 2, représentant un dispositif de tourbillonnement central axial disposé à l'intérieur de la conduite centrale ; La figure 4 est une vue en élévation latérale en 15 coupe transversale de la buse de la figure 2, représentant un dispositif de tourbillonnement central radial disposé à l'extrémité amont de la conduite centrale ; :a figure 5 est une vue en élévation latérale en 20 coupe transversale d'un deuxième mode de réalisation représentatif d'une buse construite selon la présente invention, représentant un double dispositif de tourbillonnement d'air dans le passage d'air extérieur ; ]. a figure 6 est une vue en élévation latérale en 25 coupe transversale d'un troisième mode de réalisation représentatif d'une buse construite selon la présente invention, représentant un dispositif de tourbillonnement central axial disposé à l'extrémité amont de la conduite centrale ; et 30 la figure 7 est une vue en élévation latérale en coupe transversale de la buse de la figure 6, représentant une conduite centrale possédant un dispositif de tourbillonnement central radial disposé à l'extrémité amont de celle-ci au lieu d'un dispositif de tourbillonnement central axial ; et la figure 8 est une vue en élévation latérale en coupe transversale de la buse de la figure 6, représentant une conduite centrale avec des alésages excentrés adjacents à la sortie divergente aval de la conduite centrale au lieu d'un dispositif de tourbillonnement central axial. 1 0 Description détaillée Il va à présent être fait référence aux dessins sur lesquels des numéros de référence identiques identifient des caractéristiques ou aspects structurels similaires de :L5 la présente invention. Selon l'invention, un injecteur de carburant à air comprimé est proposé. L'injecteur de carburant à air comprimé comprend un passage d'air extérieur possédant une partie de sortie convergente et un passage de carburant à l'intérieur du passage d'air 20 extérieur. Un passage d'air intérieur à l'intérieur du passage de carburant comprend une paroi extérieure possédant une région de sortie convergente. Le passage d'air intérieur entoure une conduite centrale axiale qui définit un passage d'air axial possédant une région de 25 sortie divergente. Dans un but explicatif et illustratif, et non limitatif, une vue partielle d'un exemple de mode de réalisation de l'injecteur ou de la buse selon l'invention est représentée sur la figure 2 et est 30 désigné généralement par le caractère de référence 100. D'autres modes de réalisation d'une buse selon l'invention, ou aspects de celle-ci, sont fournis sur les figures 3 à 8, comme cela va être décrit. Le système de l'invention peut être utilisé dans des moteurs à turbine à gaz utilisant une zone primaire riche et combustion stabilisée à tourbillonnement, ou dans toute autre application appropriée, pour une atomisation de carburant améliorée au cours du démarrage de moteur et une combustion stable soutenue. Selon l'invention, une partie d'entrée 102 est fournie à une extrémité amont de la buse 100 pour :LO recevoir de l'air à haute pression à partir du compresseur. Une partie de sortie 104 est fournie dans une partie avale de la buse 100 pour distribuer du carburant atomisé dans la chambre de combustion du moteur. Un passage d'air extérieur 106 est pourvu d'un dispositif :L5 de tourbillonnement d'air axial 108 et une calotte à air convergent 110 près de la partie de sortie. Le passage d'air extérieur 106 fournit un tourbillonnement à un courant d'air passant à travers celui-ci, tout en dirigeant le courant d'air dans une direction intérieure 20 de façon axiale dans la partie de sortie 104. Le carburant entre dans la buse 100 à travers une entrée de carburant 112, qui communique avec un passage de carburant formé dans le bras d'alimentation de l'injecteur (non représenté, mais voir par exemple la 25 demarde de brevet US n° 2006/0248898 de Buelow et al.), et passe à travers un passage de carburant interne 120 à l'intérieur du passage d'air extérieur 106 jusqu'à une sortie de carburant 114 à la partie avale 104 de la buse 100. Une chambre de formation de préfilm 116 dans le :30 passage de carburant interne dirige une feuille de carburant de façon radiale vers l'intérieur lorsqu'elle sort au niveau d'une ouverture annulaire 114. 1l est également possible d'inclure un dispositif de tourbillonnement de carburant pour conférer un tourbillonnement au carburant passant à travers la chambre de formation de préfilm 116. L'homme du métier appréciera que le passage de carburant interne peut comprendre un dispositif de tourbillonnement de carburant amont et une surface de formation de préfilm avale, ou toute autre configuration appropriée de passage de carburant, sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de :LO l' invention. Un passage d'air intérieur 118, à l'intérieur du passage de carburant 120, permet le passage d'air de la partie amont 102 à la partie avale 104 à travers la partie intérieure de façon axiale de la buse 100. Une :L5 paroi intérieure 122 du passage d'air intérieur 118 converge près de la région de sortie 104. Le passage d'air intérieur 118 comprend également une conduite centrale axiale 124, qui est généralement entourée par la paroi intérieure 122. La conduite centrale axiale 124 20 défir.it un passage d'air le long de l'axe de la buse 100 avec une région de sortie 125 qui diverge près de la partie de sortie 104 de la buse 100. Un dispositif de tourbillonnement axial intérieur 126 confère un tourbillonnement à l'air passant à travers le 25 passage d'air intérieur 118 mais à l'extérieur de la conduite centrale 124. Les aubes du dispositif de tourbillonnement axial 126 sont configurées pour fournir un angle d'écoulement compris entre environ 0° et environ 60° par rapport à l'axe central du dispositif de :30 tourbillonnement axial. Dans un mode de réalisation préféré, les aubes fournissent un angle d'écoulement d'environ 30°. L'homme du métier appréciera facilement la manière pour appliquer une configuration d'aubes appropriée quelconque fournissant un quelconque angle d' écculement approprié sans s' éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. Le tourbillonnement est fourni à l'air de refoulement de compresseur passant par l'intermédiaire du dispositif de tourbillonnement intérieur 126 et du dispositif de tourbillonnement extérieur 108 fonctionnant en parallèle. En outre, il est possible que les aubes du dispositif de tourbillonnement :0 axial intérieur 126 fournissent un tourbillonnement qui est co-rotatif ou contra-rotatif avec le tourbillonnement fourni par le dispositif de tourbillonnement axial extérieur 108. L'air quittant le dispositif de tourbillonnement 126 15 doit sortir à travers la sortie angulaire 105 qui est une ouverture étranglée entre la partie convergente de paroi intérieure 122 et la partie divergente de la conduite centrale 124. Cette sortie annulaire 105 est destinée à réduire la superficie de passage d' écoulement d' air pour 20 créer une chute de pression dans l'écoulement d'air intérieur près du point d'injection de carburant à partir de la sortie de carburant 114. Le résultat est un écoulement accéléré non turbulent sortant de la sortie annulaire 105 sur le côté intérieur d'une feuille de 25 carburant sortant de la sortie de carburant 114. Cet écoulement d'air accéléré non turbulent est utilisé pour augmeiter l'atomisation de carburant à faible puissance en concentrant une quantité plus élevée de vitesse dans le colrant d'air passant qui, par conséquent, produit des 30 tailles de gouttelette de carburant plus petites qui aider': l'amorce et la stabilisation de combustion. La conduite centrale axiale 124 contrôle la manière dont des gaz d'échappement recirculés circulant à l'intérieur de la chambre de ccmbustion en aval de la buse 100 sont mélangés avec _'air et le carburant s'écoulant à partir de la buse, créant pour finir une zone de cisaillement aérodynamiquement stable appropriée pour la combustion dans une gamme importante de conditions de moteur. Une région à basse pression est générée par le tourbillonnement de l'écoulement de la buse et ceci aspire des gaz de post-combustion à nouveau :LO dans la zone de combustion. La conception de l'injecteur et de la chambre de combustion contribue à la quantité de gaz de recirculation aspirés à nouveau dans le procédé de combustion. L'air de passage intérieur (ou écoulement central) est contrôlé par la conception de la buse pour 15 introduire l'air intérieur dans la chambre de combustion avant de manière telle que les gaz d'échappement recirculés soient contrôlés par le circuit d'air intérieur. La sortie de la conduite centrale 125 est 20 sensiblement coextensive avec la sortie de carburant 114 et la sortie de passage d'air extérieur 106 dans la direction axiale, et de préférence légèrement en amont de la sortie de carburant 114 et de la sortie de passage d'air extérieur 106. La position axiale de la conduite 25 centrale est importante pour accélérer l'air de refoulement de compresseur le long d'un contour continu lisse jusqu'à un point où le carburant sort du préfilmeur pour améliorer l'atomisation du film de carburant. Si la conduite centrale est trop en amont, l'air n'entre pas 30 directement en contact avec la feuille de carburant, le camp d' écoulement est déformé et l'atomisation et l'extinction pauvre sont compromises, trop en aval et 16 l'interaction entre les circuits d'air intérieur et d'air extérieur est affectée et la conduite centrale est exposée à des gaz de combustion chauds. Ainsi, alors que la sortie 125 de la conduite centrale 124 est représentée sensiblement coextensive avec la sortie 105 du passage d'air intérieur 118, l'homme du métier appréciera facilement la manière d'optimiser le positionnement de la conduite centrale pour d'autres conceptions de buse sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention.
La conception d'embout pour la conduite centrale 124 est critique en ce qu'elle détermine la proximité selon laquelle les gaz d'échappement recirculés arrivent à la pointe de la buse, ce qui contrôle la concentration d'espèces chimiques très réactives distribuées dans la zone de combustion. En outre, le positionnement axial de la sortie de conduite centrale peut affecter la pénétration de gaz de recirculation de combustion de retour dans la structure de flamme. Le contour de conduite centrale associé à la force de tourbillonnement du dispositif de tourbillonnement central axial 128, lorsqu'il est inclus dans la conduite centrale, facilite la création par les gaz de recirculation d'un noyau de flamme plus serré étendant les performances d'extinction pauvre de l'atomiseur. L'alésage 130 à travers le dispositif de tourbillonnement axial, lorsqu'il est inclus dans la conduite centrale, peut jouer un rôle important pour empêcher l'avant de flamme d'aller en amont et de s'ancrer sur la sortie ou à l'intérieur de la conduite centrale, suivant la force de tourbillonnement du dispositif de tourbillonnement central. L'association de contour de conduite centrale, de tourbillonnement central et d'orifice d'alésage dans la conception d' embout contrôle les niveaux de turbulence d' écoulement non perturbé local, le champ de vitesse tridimensionnel, et la température du mélange carburant/air immédiatement avant la combustion, qui affectent tous directement la stabilité de flamme. Même lorsqu'aucun dispositif de tourbillonnement de conduite centrale n'est présent, comme cela est représenté par exemple sur les figures 2, 5, et 8, la conduite centrale peut toujours fournir les avantages de stabilité d'allumage et de flamme par rapport aux buses connues auparavant. Les performances dépendent de la conception du circuit d'air intérieur, du passage d'air intérieur, et du rapport de la partie central d'air intérieure par rapport au passage d'air intérieur, y compris le contour de la région de sortie divergente. L'ajout d'un dispositif de tourbillonnement central d'air peut apporter une meilleure stabilité d'allumage et de flamme suivant le modèle de la buse, la taille de la buse, le modèle du dispositif de tourbillonnement de dôme de moteur et le modèle de la chambre de combustion. L'apport ou non d'avantages importants par l'ajout d'un dispositif de tourbillonnement central à l'intérieur d' une conduite centrale dans un modèle de buse donné peut être déterminée par expérimentation avec un ensemble de chambre de combustion dans des conditions atmosphériques. La partie centrale réduit également la contrainte thermique en ce que des surfaces qui dans des conceptions antérieures étaient exposées à des gaz de combustion chaucs sont refroidies avec l'air de refoulement de compresseur dans la buse 100. De multiples champs d'écculement peuvent être développés sur la base des besoins pour les conditions de système de combustion 18 spécifiques, en modifiant le contour du refoulement d'air central. La conduite centrale 124 permet également la réduction du diamètre total de l'injecteur, en raison de l'effet de diffuseur associé à l'air intérieur accéléré à travers la buse du fait de la superficie de sortie réduite du passage d'air intérieur immédiatement à l'extérieur du contour de conduite centrale. D'autres avantages comprennent un contrôle plus important du champ d'écoulement intérieur de circuit d'air et une capacité :LO de dosage d'écoulement d'air plus importante. La paroi extérieure 122 du passage d'air intérieur 118 et la conduite centrale 124 sont dimensionnées pour acheminer entre environ 50 % et environ 95 de débit massique de passage d'air intérieur :L5 à t:_avers le dispositif de tourbillonnement d'air axial 126, le reste de débit massique étant acheminé à travers la conduite centrale 124. L'homme du métier appréciera facilement, cependant, que la buse 100 peut être configuré pour supporter un quelconque rapport de 20 débit massique approprié dans le dispositif de tourbillonnement axial 126 par rapport au débit massique dans la conduite centrale 124 sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. La séparation entre l'air central et l'air intérieur est critique pour équilibrer 25 les propriétés d'allumage de la buse et d'extinction pauvre. Un air central excessif réduit la quantité et l'énergie de l'air ayant un impact direct sur le courant de carburant à l'allumage. Un air central insuffisant entraîne la recirculation de gaz de combustion 30 insuffisants, réduisant les propriétés d'extinction pauvre des atomiseurs. L'association de séparation de l'air central par rapport à l'air intérieur peut être manipulée pour fournir des performances optimales d'allumage et d'extinction pauvre. La séparation optimale d'air intérieur varie suivant le modèle de la chambre de combustion, la géométrie et/ou l'enveloppe de la buse et les exigences d'écoulement de carburant et d'air. Des essais sur moteur réels peuvent être utilisés pour déterminer une division optimale d'air intérieur pour un modèle de chambre de combustion, un modèle de buse, et des exigences d'écoulement air/carburant donnés.
Comme cela est représenté sur la figure 3, il est également possible que la conduite centrale 124 comprenne un dispositif de tourbillonnement central axial 128 pour ccnférer un tourbillonnement à l'écoulement d'air central. Le dispositif de tourbillonnement central axial 128 possède des ailettes de tourbillonnement d'un type connu sur sdn extérieur, et un alésage 130 le long de l'axe de buse 100, qui est une caractéristique optionnelle qui fournit un écoulement axial pour aider la stabilité de flamme dans la chambre de combustion. La figure 4 représente la buse 100 avec un dispositif de tourbillonnement central radial 132 disposé sur l'extrémité d'entrée de la conduite centrale 124. Le dispositif de tourbillonnement central radial 132 comprend une pluralité d'alésages excentrés 134 communiquant entre la partie principale du passage d'air intérieur 118 et l'intérieur de la conduite centrale 124. L'air entrant dans la conduite centrale 124 à travers les alésages 134 tourbillonne du fait que les alésages 134 sont décalés des rayons du dispositif de 3D tourbillonnement 132. Un alésage axial optionnel 136 permet un écoulement axial pour aider à stabiliser les écoulements dans la chambre de combustion.
Bien que les dispositifs de tourbillonnement centraux axiaux soient optionnels, ils fournissent l'avantage d' aider à ancrer les flammes et améliorer la stabilité de flamme dans la zone de recirculation de la chambre de combustion. En outre, bien que les dispositifs de tcurbillonnement centraux aient été décrits ci-dessus avec des exemples de configuration de dispositif de tcurbillonnement axial et radial, l'homme du métier appré:fera facilement qu'un type quelconque de dispositif de tourbillonnement approprié peut être utilisé sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'une buse d'injecteur de carburant à air comprimé selon la présente invention. La buse 200 est essentiellement similaire à la buse 100 ci-dessus, y compris le fait qu'il possède un passage d'air intérieur 218 avec une conduite centrale 224 à l'intérieur d'un dispositif de tourbillonnement axial 226 à l'intérieur d' un passage de carburant interne 220. Cependant, la buse 200 possède un double dispositif de tourbillonnement d' air extérieur 208. Les dcubles dispositifs de tourbillonnement fournissent un moyen supplémentaire pour conférer un tourbillonnement à des écoulements d'air autour de la zone d'injection de carburant. La buse 200 peut être utilisée sans dispositif de tourbillonnement de conduite centrale, comme cela est représenté sur la figure 5, ou avec un dispositif de tourbillonnement de conduite centrale, comme cela est illustré sur les figures 6 et 7. La figure 6 représente le gicleur 300 avec un dispositif de tourbillonnement de conduite centrale 328 disposé sur l'extrémité d'entrée de la conduite centrale 324 essentiellement similaire à la figure 3 à l'exception d'un double dispositif de 21
tourbillonnement d'air extérieur 308. La figure 7 représente un dispositif de tourbillonnement central radial 332 disposé sur l'extrémité d'entrée de la conduite centrale 324 avec des alésages de tourbillonnement radiaux 334 et un alésage axial 336 essentiellement similaire à la figure 4 à l'exception d'un double dispositif de tourbillonnement d'air extérieur 308. L'homme du métier appréciera facilement qu'ur. type axial ou tout autre type approprié de dispositif de tourbillonnement de conduite centrale peut être utilisé dans la buse 300 sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. La figure 8 représente un gicleur 300 avec des ouvertures ou alésages excentrés 338 adjacents à la :L5 partie de sortie divergente de la conduite centrale 324. Les alésages 338 communiquent entre un dispositif de tourbillonnement axial intérieur 326 et l'intérieur de la conduite centrale 324, permettant à l'air de passer à partir de l'extérieur de la conduite centrale dans 20 1'écculement axial à l'intérieur de la conduite centrale 324. Les alésages 338 fournissent un élément de tourbillonnement à l'air central quittant la conduite centrale 324 du fait qu'ils sont décalés des rayons de la conduite centrale 324. Bien que représenté conjointement 25 à la buse 300 avec des doubles dispositifs de tourbillonnement extérieurs 308, il est également possible d'utiliser des ouvertures comme les alésages 338 dans la conduite centrale 124 de la buse 100. En outre, les alésages 338 peuvent être utilisés dans des conduites :30 centrales avec ou sans dispositifs de tourbillonnement centraux séparés. L'homme du métier appréciera facilement que les divers dispositifs de tourbillonnement extérieur, intérieur, de carburant, et central, lorsqu'ils sont utilisés, peuvent être agencés pour un tourbillonnement co-rotatif, un tourbillonnement contra-rotatif, ou une association appropriée quelconque de ceux-ci sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. Un nombre approprié quelconque de dispositifs de tourbillonnement supplémentaires peut être utilisé dans le passage d'air intérieur, le passage d'air extérieur, :LO ou la conduite centrale. Il n'est pas nécessaire que les dispositifs de tourbillonnement de passages d'air intérieur et extérieur soient de type axial, du fait que l'homme du métier appréciera facilement la manière d'utiliser des dispositifs de tourbillonnement radiaux, :L5 ou tout autre type approprié de dispositif de tourbillonnement ou association de types appropriée quelconques de dispositif de tourbillonnement, au lieu des dispositifs de tourbillonnement axiaux intérieur et/ou extérieur sans s'éloigner de l'esprit et de la 20 portée de l'invention. Les buses décrites ci-dessus sont configurées pour des chambres de combustion à mélange riche, cependant, l'homme du métier appréciera facilement que l'invention peut également être pratiquée dans des applications de chambre de combustion de mélange pauvre, 25 ou dans un autre type approprié quelconque d'application de chambre de combustion. En outre, bien que des exemples spécifiques de types de buses aient été illustrés dans les présentes, l'homme du métier appréciera facilement que :_'invention peut être appliquée à des injecteurs 30 pilot=s, des injecteurs hybrides, des injecteurs doubles, des injecteurs purs, ou tout autre type approprié d'injecteurs ou buses de formation de préfilm sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. En outre, une quelconque combinaison appropriée de caractéristiques décrites dans les présentes peut être incluse dans une buse sans s' éloigner de l'esprit et de la portée de l'invention. Les procédés et systèmes de la présente invention, tels qu'ils sont décrits ci-dessus et représentés sur les dessins, fournissent un injecteur de carburant à air comprimé avec des propriétés supérieures, y compris une :LO atomisation améliorée en raison d'une chute de pression d'air au point d'injection du carburant. Cette atomisation améliorée entraîne des émissions et une aptitude au fonctionnement améliorées, y compris une stabilité à un fonctionnement à faible puissance, à :L5 l'allumage, et dans des conditions pauvres. Bien que l'appareil et les procédés de la présente invention aient été présentés et décrits en faisant référence à des modes de réalisation préférés, l'homme du métier appréciera facilement que des changements et/ou 20 modifications peuvent être apportés à ceux-ci sans s'éloigner de l'esprit et de la portée de la présente invention.
Claims (20)
1. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) comprenant : a) un passage d'air extérieur (106) possédant une partie de sertie convergente (104) ; b) un passage de carburant (120, 220) à l'intérieur du passage d'air extérieur (106) ; et c) un passage d'air intérieur (118, 218, 318) à l'intérieur du passage de carburant (120, 220), le passage d'air intérieur (118, 218, 318) comprenant une paroi extérieure possédant une région de sortie convergente (114) et entourant une conduite centrale axiale (124, 224, 324) définissant un passage d'air axial possédant une région de sortie divergente (125, 325).
2. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 1, dans lequel la région de sortie divergente (125, 325) de la conduite centrale axiale (124, 224, 324) est généralement coextensive avec la partie de sortie convergente (114) du passage d'air intérieur (118, 218, 318).
3. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 1, dans lequel la région de sortie divergente (125, 325) de la conduite centrale axiale (124, 224, 324) se termine en amont d'une extrémité terminale de la partie de sortie convergente (114) du passage d'air intérieur (118, 218, 318).
4. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) ,0 selon la revendication 2, comprenant en outre undispositif de tourbillonnement d'air axial (126, 226) disposé entre la paroi extérieure du passage d'air intérieur (118, 218, 318) et la conduite centrale axiale (124, 224, 324).
5. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 4, dans lequel le dispositif de tourbillonnement d'air axial (126, 226) comprend des aubes configurées pour fournir un angle d'écoulement :L0 compris entre environ 00 et environ 60° par rapport à un axe central défini par le dispositif de tourbillonnement axial (126, 226).
6. Ir..jecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) :L5 selon. la revendication 4, dans lequel le dispositif de tourbillonnement d'air axial (126, 226) est dimensionné pour acheminer entre environ 50 % et environ 95 % de débit massique de passage d'air intérieur à travers le dispcsitif de tourbillonnement d'air axial (126, 226), 20 avec le reste du débit massique acheminé à travers la conduite centrale axiale (124, 224, 324).
7. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 4, dans lequel le passage de 25 carburant (120, 220) comprend un dispositif de tourbillonnement de carburant amont et une surface de formation de préfilm avale .
8. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) 30 selon la revendication 1, comprenant en outre un dispcsitif de tourbillonnement central (128, 132, 328) adjacent à une extrémité amont de la conduite centraleaxiale (124, 224, 324).
9. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 8, dans lequel le dispositif de tourbillonnement central (128, 132, 328) est un dispositif de tourbillonnement d'air axial.
10. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 8, dans lequel le dispositif de tourbillonnement central (132) est un dispositif de tourbillonnement d'air radial.
11. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon. la revendication 8, dans lequel le dispositif de tourbillonnement central (128, 132, 328) comprend un alésage central (130) définissant un passage d'écoulement le long d'un axe central du dispositif de tourbillonnement central (126, 128, 132, 226, 328).
12. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 1, dans lequel le passage d'air extérieur (106) comprend un dispositif de tourbillonnement d'air (108, 208, 308).
13. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 1, dans lequel le passage d'air extérieur (106) comprend un double dispositif de tourbillonnement d'air (208, 308).
14. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) selon la revendication 1, dans lequel au moins une ouverture radiale excentrée est définie dans la conduite 26centrale axiale (124, 224, 324) de façon adjacente à la région de sortie divergente (114) de celle-ci.
15. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) 5 pour un moteur à turbine à gaz comprenant : a) un passage d'air extérieur (106) comprenant un dispositif de tourbillonnement d'air extérieur (108, 208, 308) et possédant une partie de sortie convergente (104) ; b) un passage de carburant (120, 220) à l'intérieur du 10 passage d'air extérieur (106) comprenant un dispositif de tourbillonnement de carburant et possédant une surface convergente de formation de préfilm à l'intérieur de la partie de sortie convergente (104) du passage d' air extérieur (106) ; :L5 c) ur passage d' air intérieur (118, 218, 318) à l'intérieur du passage de carburant (120) comprenant un dispositif de tourbillonnement axial (126) ; et d) ur..e conduite centrale axiale (124, 224, 324) à l'intérieur du passage d'air intérieur (118, 218, 318) et 20 définissant un passage d'air axial possédant une région de scrtie divergente (125, 325).
16. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) pour un moteur à turbine à gaz selon la revendication 15, 25 comprenant en outre un dispositif de tourbillonnement central (128, 132, 328) disposé à proximité d'une extrémité amont de la conduite centrale axiale (124, 224, 324). 30
17. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) pour un moteur à turbine à gaz selon la revendication 16, dans lequel le dispositif de tourbillonnement central (128, 132, 328) comprend un alésage central (130) définissant un passage d'écoulement le long d'un axe central du dispositif de tourbillonnement central (126, 128, 132, 226, 328).
18. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) pour un moteur à turbine à gaz selon la revendication 15, dans lequel le dispositif de tourbillonnement axial (128, 132, 328) est dimensionné pour acheminer entre environ 50 % et environ 95 % de débit massique de passage d'air intérieur à travers le dispositif de tourbillonnement axial (128, 132, 328) avec le reste du débit massique acheminé à travers la conduite centrale axiale (124, 224, 324).
19. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) pour an moteur à turbine à gaz comprenant : a) un passage d'air extérieur (106) possédant une partie de sortie convergente (104) ; b) un passage de carburant (120, 220) à l'intérieur du passage d'air extérieur (106), le passage de carburant (120, 220) comprenant une surface de formation de préfilm (116) à l'intérieur de la partie de sortie convergente (104) du passage d'air extérieur (106) ; c) un passage d'air intérieur (118, 218, 318) à l' intérieur du passage de carburant (120, 220), le passage d'air intérieur (118, 218, 318) comprenant un dispositif de tourbillonnement axial intérieur (126, 226) défini, entre une paroi extérieure possédant une région de sortie convergente (114) et une conduite centrale axiale (124, 224, 324) définissant un passage d'air axial avec une région de sortie divergente ; et d) un dispositif de tourbillonnement de conduite centrale axiale (128, 132, 328) disposé dans une partie amont de la conduite centrale axiale (124, 224, 324).
20. Injecteur de carburant à air comprimé (100, 200, 300) pour un moteur à turbine à gaz selon la revendication 19, dans lequel le dispositif de tourbillonnement axial de conduite centrale (128, 132, 328) comprend un alésage axial (130) définissant un passage d'écoulement le long d' un axe central défini par le passage d' air intérieur (118, 218, 318).
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