FR2967479A1 - Dispositif et procede pour l'allumage d'un systeme de combustion - Google Patents

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Abstract

Injecteur (30) comprenant un corps central (32) qui définit un axe géométrique central (38). Une enveloppe (34) entoure le pourtour d'au moins une partie du corps central (32) afin de définir un passage annulaire (40) entre le corps central (32) et l'enveloppe (34). Un volume (44, 46) se trouve à l'intérieur du corps central (32) et sensiblement parallèlement à l'axe géométrique central (38), et un allumeur (52) se trouve à l'intérieur du corps central (32), globalement au voisinage immédiat du volume (44, 46). Un procédé pour allumer un système de combustion comporte l'écoulement d'un combustible dans un corps central (32) aligné axialement dans un injecteur (30) et l'écoulement d'un fluide de travail dans un passage annulaire (40), le passage annulaire (40) étant sensiblement parallèle au corps central (32) et radialement à l'extérieur du corps central. Le procédé comporte en outre la projection d'un faisceau et/ou d'une étincelle et/ou d'une flamme depuis un allumeur (52) situé à l'intérieur du corps central (32).

Description

B 1 1-4976FR 1 Dispositif et procédé pour l'allumage d'un système de combustion
La présente invention concerne globalement un dispositif et un procédé pour allumer un système de combustion. Dans des formes de réalisation particulières, le dispositif peut comporter un injecteur ou un système de combustion ayant un allumeur aligné avec un axe géométrique central de l'injecteur. Les turbines à gaz, les moteurs d'aéronefs et de nombreux autres systèmes reposant sur la combustion comportent un ou plusieurs systèmes de combustion qui mélangent un fluide de travail tel que de l'air avec un combustible et enflamment le mélange de combustible et d'air pour produire des gaz de combustion à haute température et haute pression. La figure 1 représente une coupe simplifiée d'un système de combustion 10 qui, par exemple, pourrait faire partie d'une turbine à gaz. Un fluide de travail 12 peut circuler entre un manchon d'écoulement 14 et une chemise 16 avant de faire demi-tour et de passer par un ou plusieurs injecteurs 18 pour entrer dans une chambre de combustion 20. Les injecteurs 18 mélangent le combustible avec le fluide de travail 12, et un système d'allumage 22 enflamme le mélange de combustible et d'air dans la chambre de combustion 20. Le système d'allumage 22 peut comprendre, par exemple, une bougie d'allumage ou un laser qui projette une étincelle ou un faisceau dans la chambre de combustion 20. Selon une autre possibilité, ou en plus, le système d'allumage 22 peut comprendre un tube d'interconnexion 24 qui fournit une flamme, par exemple provenant d'un système de combustion adjacent, à la chambre de combustion 20. Quel que soit le cas, le système d'allumage 22 se trouve souvent sur un côté de la chambre de combustion 20 de façon que le système d'allumage 22 puisse projeter l'étincelle, le faisceau ou la flamme dans la chambre de combustion 20 à peu près en même temps que le mélange de combustible et d'air afin d'améliorer la fiabilité du système d'allumage 22. Le fait que le système d'allumage 22 se trouve sur le côté de la chambre de combustion 20 présente plusieurs inconvénients. Par exemple, les systèmes d'allumage 22 représentés sur la figure 2 nécessitent chacun un point de pénétration à travers la chemise 26 du système de combustion 10, ce qui crée une source potentielle de fuites et/ou d'écoulement turbulent à travers ou autour du point de pénétration. De plus, les systèmes d'allumage 22 situés sur le côté du système de combustion 10 affectent forcément l'écoulement du fluide de travail 12 entre la chemise 16 et le manchon d'écoulement 14, ce qui accroît la pression différentielle du fluide de travail 12 dans le système de combustion 10, ce qui réduit le rendement global de la turbine à gaz. Ces deux inconvénients, ainsi que d'autres associés aux systèmes d'allumage à montage latéral, réduisent la quantité et/ou le débit du fluide de travail disponible pour se mélanger au combustible dans les injecteurs 18. La quantité de fluide de travail disponible pour un prémélange avec le combustible a une incidence directe sur les maxima des températures de flammes et des émissions de NO,,. Des tentatives plus récentes ont été menées pour inclure des systèmes d'allumage dans l'extrémité côté culotte du système de combustion 10 afin de réduire ou de supprimer toute interférence avec l'écoulement du fluide de travail 12. Cependant, les dimensions et le nombre des injecteurs 18 situés dans l'extrémité côté culotte du système de combustion limitent forcément la surface disponible pour les systèmes d'allumage. Par conséquent, un système et un procédé perfectionnés pour allumer un système de combustion 10, qui réduisent ou suppriment les pénétrations à travers le côté du système de combustion 10 et/ou les interférences avec le fluide de travail 12, seraient utiles.
Des aspects et avantages de l'invention sont présentés plus loin dans la description qui va suivre, ou peuvent être évidents d'après la description, ou peuvent être appris par la pratique de l'invention. Une première forme de réalisation de la présente invention consiste en un injecteur qui comporte un corps central définissant un axe géométrique central. Une enveloppe entoure le pourtour d'au moins une partie du corps central pour définir un passage annulaire entre le corps central et l'enveloppe. Un volume se trouve à l'intérieur du corps central et est sensiblement parallèle à l'axe géométrique central, et un allumeur se trouve à l'intérieur du corps central et globalement au voisinage immédiat du volume. Une autre forme de réalisation de la présente invention consiste en un système de combustion qui comporte un capot d'extrémité et une pluralité d'injecteurs disposés radialement dans le capot d'extrémité. Chacun des différents injecteurs comporte un corps central qui définit un axe géométrique central. Une enveloppe entoure le pourtour d'au moins une partie du corps central afin de définir un passage annulaire entre le corps central et l'enveloppe. Un volume se trouve à l'intérieur du corps central, sensiblement parallèlement à l'axe géométrique central, et un allumeur se trouve à l'intérieur du corps central d'au moins un des différents injecteurs. Des formes de réalisation de la présente invention peuvent également consister en un procédé pour allumer un système de combustion. Le procédé comporte la circulation d'un combustible dans un corps central aligné axialement dans un injecteur et la circulation d'un fluide de travail dans un passage annulaire, le passage annulaire étant sensiblement parallèle au corps central et radialement vers l'extérieur du corps central. Le procédé comporte en outre la projection d'un faisceau et/ou d'une étincelle et/ou d'une flamme depuis un allumeur situé à l'intérieur du corps central. Les spécialistes ordinaires de la technique comprendront mieux les détails et les aspects de ces formes de réalisation, et d'autres, à l'examen de la description. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue latérale simplifiée en coupe d'un exemple de système de combustion ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un injecteur selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est une vue agrandie en perspective d'une partie de l'injecteur représenté sur la figure 2 ; - la figure 4 est une vue latérale simplifiée en coupe d'un système de combustion selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 5 est une vue axiale simplifiée en coupe du système de combustion représenté sur la figure 4 selon une forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 6 est une vue axiale simplifiée en coupe du système de combustion représenté sur la figure 4 selon une autre forme possible de réalisation de la présente invention. On va maintenant examiner en détail des formes actuelles de réalisation de l'invention dont un ou plusieurs exemples sont illustrés sur les dessins annexés. La description détaillée utilise des repères alphanumériques pour désigner des éléments sur les dessins.
Des repères identiques ou similaires sur les dessins et dans la description ont été employés pour désigner des parties identiques ou similaires de l'invention. Chaque exemple est fourni à titre d'explication de l'invention, sans limiter l'invention. En fait, il apparaîtra aux spécialistes de la technique que des modifications et des variantes peuvent être apportées à la présente invention sans sortir du cadre ni de l'esprit de celle-ci. Par exemple, des éléments illustrés ou décrits comme faisant partie d'une première forme de réalisation peuvent être utilisés sur une autre forme de réalisation pour donner encore une autre forme de réalisation. Ainsi, il est entendu que la présente invention couvre ces modifications et variantes comme entrant dans le cadre des revendications annexées et de leurs équivalents.
Diverses formes de réalisation de la présente invention consistent en un dispositif pour allumer un système de combustion, qui présente un procédé fiable pour allumer le système de combustion. Par exemple, certaines formes de réalisation peuvent comporter un injecteur à l'intérieur duquel un système d'allumage est globalement aligné avec un axe géométrique central de l'injecteur. D'autres formes de réalisation possibles peuvent inclure une pluralité d'injecteurs dans le système de combustion, un ou plusieurs des injecteurs ayant le système d'allumage à l'intérieur du/des injecteurs. De la sorte, les diverses formes de réalisation de la présente invention proposent un système et un procédé fiables pour allumer un système de combustion sans nécessiter de pénétrations supplémentaires à travers le côté du système de combustion, celles-ci étant susceptibles d'affecter l'écoulement du fluide autour du système de combustion ou à travers celui-ci.
La figure 2 est une vue en perspective d'un injecteur 30 selon une forme de réalisation de la présente invention et la figure 3 est une vue agrandie en perspective d'une partie de l'injecteur 30 représenté sur la figure 2. Comme représenté sur les figures 2 et 3, l'injecteur 30 comporte globalement un corps central 32, une enveloppe 34 et une pluralité d'aubes 36. Le corps central 32 est situé en position centrale dans l'injecteur 30 et s'étend globalement le long de l'injecteur 30 afin de définir un axe géométrique central 38 de l'injecteur 30. L'enveloppe 34 entoure le pourtour de la majeure partie ou d'au moins une partie du corps central 32, comme représenté sur la figure 2, afin de définir un passage annulaire 40 entre le corps central 32 et l'enveloppe 34. Le passage annulaire 40 peut être sensiblement parallèle au corps central 32, par exemple comme représenté sur les figures 2 et 3. Les aubes 36 s'étendent globalement radialement dans le passage annulaire 40 entre le corps central 32 et l'enveloppe 34 et un combustible peut être fourni depuis le corps central 32 et/ou l'enveloppe 34 via des orifices 42 d'injection de combustible présents dans les aubes 36. Dans des formes de réalisation particulières, les aubes 36 peuvent être incurvées ou obliques par rapport à l'axe géométrique central 38, comme représenté sur les figures 2 et 3, afin de communiquer une vitesse tangentielle au fluide de travail et/ou au combustible passant sur les aubes 36 afin d'améliorer le mélange entre le fluide de travail et le combustible dans le passage annulaire 40 avant la combustion. Un ou plusieurs volumes peuvent s'étendre axialement à l'intérieur du corps central 32 pour établir une communication fluidique avec et/ou à travers le corps central 32. Par exemple, comme représenté sur les figures 2 et 3, un volume 44 de combustible et des volumes 46 de diluant peuvent s'étendre le long du corps central 32 et/ou à travers le corps central. Le combustible peut consister en un combustible liquide ou gazeux et le diluant peut consister en un fluide de travail, de l'eau, de la vapeur, un gaz inerte ou un autre fluide convenant pour diluer le combustible et/ou évacuer de la chaleur du corps central 32. Les volumes 44, 46 de combustible et de diluant peuvent aboutir à une ouverture 48 dans une surface aval 50 de l'injecteur 30, en établissant ainsi une communication fluidique pour un combustible gazeux, un combustible liquide ou un diluant destiné à entrer dans le corps central 32 et à traverser le corps central. Selon une autre possibilité, ou en plus, le volume 46 de diluant peut aboutir tout près de la surface aval 50 du corps central 32, en établissant ainsi une communication fluidique pour le diluant destiné à entrer dans le corps central 32 et permettre un refroidissement par impact de la surface aval 50 du corps central 32. Les volumes 44, 46 de combustible et de diluant peuvent être concentriques à l'axe géométrique central 38 de l'injecteur 30 ou, comme représenté sur les figures 2 et 3, les volumes 44, 46 de combustible et de diluant peuvent être alignés avec et décalés radialement par rapport à l'axe géométrique central 38. Comme représenté sur les figures 2 et 3, l'injecteur 30 peut comporter en outre un allumeur 52 à l'intérieur et/ou dans les limites d'un pourtour du corps central 32 et s'étendant axialement à travers le corps central 32. Comme dans le cas des volumes 44, 46 de combustible et de diluant, l'allumeur 52 peut être concentrique ou décalé radialement par rapport à l'axe géométrique central 38. De plus, l'allumeur 52 peut aboutir tout près de l'ouverture 48 dans la surface aval 50 du corps central 32, si bien que l'allumeur 52 est tout près du volume 44 de combustible sur la surface aval 50 du corps central 32. L'allumeur 52 peut être constitué par tout dispositif adéquat connu d'un spécialiste ordinaire de la technique pour constituer une source d'allumage. Par exemple, l'allumeur 52 peut consister en une bougie d'allumage qui projette une étincelle sensiblement parallèlement à l'axe géométrique central 38 de l'injecteur 30. De même, l'allumeur 52 peut être constitué par un allumeur à plasma, une torche ou une source de flamme recevant une injection pilote de combustible. Si cela est souhaitable, l'allumeur 52 peut être activé pour enflammer le combustible d'injection pilote, projetant de ce fait une flamme sensiblement parallèle à l'axe géométrique central 38 de l'injecteur 30. Comme représenté sur les figures 2 et 3, l'allumeur 52 peut être constitué par un laser 56 qui produit un faisceau dans un tube optique 58 à l'intérieur du corps central 32. Comme représenté sur la figure 3, le faisceau peut avoir un foyer 60 en aval du corps central 32 de façon que le laser 56 projette le faisceau sensiblement parallèlement à l'axe géométrique central 38 de l'injecteur 30 pour enflammer le combustible provenant du volume 44 de combustible hors du corps central 32. La figure 4 présente une vue latérale simplifiée en coupe d'un système de combustion 70 comportant l'injecteur 30 représenté sur les figures 2 et 3 selon une forme de réalisation de la présente invention. Globalement, le système de combustion 70 comporte un capot d'extrémité 72 et une chemise 74 qui définissent une chambre de combustion 76. Un fluide de travail 78 circule globalement à l'extérieur de la chambre de combustion 76 entre la chemise 74 et un manchon d'écoulement 80 jusqu'à ce qu'il atteigne les injecteurs 30, où le fluide de travail 78 fait demi-tour pour passer par le passage annulaire 40 et/ou le corps central 32 dans les injecteurs 30 et entrer dans la chambre de combustion 76.
Les figures 5 et 6 présentent une vue axiale du système de combustion 70 selon diverses formes de réalisation de la présente invention. Comme représenté, les injecteurs 30 peuvent être organisés ou disposés radialement dans le capot d'extrémité 72, avec diverses géométries, formes et dimensions. Par exemple, de multiples injecteurs 30 peuvent entourer un unique injecteur 30, et les injecteurs 30 peuvent avoir divers diamètres en fonction de la forme de réalisation particulière. Les figures 5 et 6 illustrent en outre le fait que le nombre et la disposition relative des allumeurs 52 par rapport au volume 44 de combustible peuvent varier en fonction de formes de réalisation particulières. Par exemple, comme représenté sur les figures 5 et 6, le système de combustion 70 peut comporter des allumeurs 52 dans deux ou plus des injecteurs 30 pour constituer une source d'allumage redondante ou d'appoint en cas de défaut de fonctionnement de l'un des allumeurs 52. De plus, les injecteurs 30 peuvent être groupés en différents sous-ensembles pour permettre divers régimes de fonctionnement, et les allumeurs 52 peuvent être inclus dans des injecteurs 30 de différents sous-ensembles de façon que chaque sous-ensemble d'injecteur 30 puisse avoir un allumeur spécifique 52. De plus, chaque allumeur 52 peut être situé radialement à l'extérieur du volume 44 de combustible, comme représenté sur la figure 5, ou radialement vers l'intérieur du volume 44 de combustible, comme représenté sur la figure 6. Dans encore d'autres formes de réalisation, un ou plusieurs allumeurs 52 peuvent être disposés dans le capot d'extrémité 72 à l'extérieur des injecteurs 30. L'emplacement radial particulier des allumeurs 52 par rapport au volume 44 de combustible dépendra de diverses considérations de conception comme, par exemple, le type de combustible, le rendement de combustion, la proximité des injecteurs 30 ou du volume 44 de combustible par rapport à la chemise 74, et autres considérations découlant de l'expérience pratique. Un spécialiste ordinaire de la technique comprendra aisément que les formes de réalisation représentées sur les figures 2 à 6 constituent ainsi un dispositif fiable pour allumer le système de combustion 70 sans nécessiter de pénétrations à travers la chemise 74 et/ou le manchon d'écoulement 80. De la sorte, des inconvénients courants associés aux pénétrations dans la chemise 74 et/ou le manchon d'écoulement 80, tels que des fuites, une usure, un entretien plus lourd et une résistance à l'écoulement, sont réduits ou totalement évités. Les formes de réalisation représentées et décrites en référence aux figures 2 à 6 peuvent en outre permettre un procédé pour allumer le système de combustion 70. Le procédé peut comporter l'écoulement du combustible liquide ou gazeux dans le corps central 32 aligné axialement dans l'injecteur 30 et l'écoulement du fluide de travail 78 dans le passage annulaire 40. Le procédé peut en outre comprendre la projection du faisceau et/ou de l'étincelle et/ou de la flamme depuis l'allumeur 52 situé dans le corps central 32. Dans des formes de réalisation particulières, le faisceau, l'étincelle ou la flamme peut être projeté sensiblement parallèlement à l'axe géométrique central 38 de l'injecteur 30 et/ou radialement vers l'extérieur du combustible circulant dans le corps central 32.
Liste des repères 10 Système de combustion 12 Fluide de travail 14 Manchon d'écoulement 16 Chemise 18 Injecteurs 20 Chambre de combustion 22 Système d'allumage 24 Tube d'interconnexion 30 Injecteur 32 Corps central 34 Enveloppe 36 Aubes 38 Axe géométrique central 40 Passage annulaire 42 Orifices d'injection de combustible 44 Volume de combustible 46 Volume de diluant 48 Ouverture 50 Surface aval 52 Allumeur 56 Laser 58 Tube optique 60 Foyer 70 Système de combustion 72 Capot d'extrémité 74 Chemise 76 Chambre de combustion 78 Fluide de travail 80 Manchon d'écoulement

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Injecteur (30) comportant : a. un corps central (32), le corps central (32) définissant un axe géométrique central (38) ; b. une enveloppe (34) entourant le pourtour d'au moins une partie du corps central (32) afin de définir un passage annulaire (40) entre le corps central (32) et l'enveloppe (34) ; c. un volume (44, 46) à l'intérieur du corps central (32) et sensiblement parallèle à l'axe géométrique central (38) ; et d. un allumeur (52) à l'intérieur du corps central (32) et globalement adjacent au volume (44, 46).
  2. 2. Injecteur (30) selon la revendication 1, dans lequel le passage annulaire (40) est sensiblement parallèle au corps central (32).
  3. 3. Injecteur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volume (44) permet une communication fluidique pour un combustible liquide dans le corps central (32).
  4. 4. Injecteur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volume (46) permet une communication fluidique pour un diluant dans le corps central (32).
  5. 5. Injecteur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'allumeur (52) est constitué par une bougie d'allumage et/ou un laser (56) et/ou une source de flamme.
  6. 6. Injecteur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'allumeur (52) projette un faisceau et/ou une étincelle et/ou une flamme sensiblement parallèlement à l'axe géométrique central (38).
  7. 7. Injecteur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'allumeur (52) est disposé radialement à l'extérieur du volume (44, 46).
  8. 8. Injecteur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une pluralité d'aubes (36) dans le passage annulaire (40) entre l'enveloppe (34) et le corps central (32).
  9. 9. Procédé pour allumer un système de combustion (10), comprenant : a. l'écoulement d'un combustible dans un corps central (32) aligné axialement dans un injecteur (30) ; b. l'écoulement d'un fluide de travail dans un passage annulaire (40), le passage annulaire (40) étant sensiblement parallèle au corps central (32) et radialement vers l'extérieur du corps central ; et c. la projection d'un faisceau et/ou d'une étincelle et/ou d'une flamme depuis un allumeur (52) situé à l'intérieur du corps central (32).
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant en outre l'écoulement d'un combustible liquide dans le corps central (32).
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, comportant en outre la projection du faisceau et/ou de l'étincelle et/ou de la flamme sensiblement parallèlement à un axe géométrique central (38) de l'injecteur (30).
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comportant en outre la projection du faisceau et/ou de l'étincelle et/ou de la flamme radialement vers l'extérieur du combustible s'écoulant dans le corps central (32).
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