B11-5086FR 1
Prémélangeur pour chambre de combustion La présente invention porte sur un prémélangeur pour une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz.
Dans les moteurs à turbine à gaz, de l'air et un combustible prémélangé sont brûlés dans des chambres de combustion disposées en amont de turbines dans lesquelles de l'énergie mécanique est extraite des fluides à haute température produits par la combustion. De l'énergie électrique est ensuite générée à partir de l'énergie mécanique et envoyée sur des circuits électriques. Ordinairement, les chambres de combustion comportent des injecteurs de combustible pourvus de passages de prémélange dans lesquels l'air et le combustible se mélangent l'un à l'autre. Ce prémélange accroît la tendance des matières combustibles à brûler entièrement, ce qui conduit à des diminutions quantitatives des émissions produites par le moteur. Une augmentation du degré de prémélange correspond donc à une diminution quantitative des émissions. Ce renforcement du prémélange est obtenu grâce à l'utilisation de grandes ailettes de tourbillonnement et/ou un grand nombre d'ailettes de tourbillonnement dans des vrilles disposées aux extrémités amont ou près des extrémités amont des passages de prémélange. Les ailettes de tourbillonnement réorientent le flux de matières combustibles pour faciliter le mélange de combustible et d'air. Cependant, les grandes ailettes de tourbillonnement et/ou les ailettes de tourbillonnement accroissent le poids et le coût globaux des injecteurs de combustible et, en dépit de leur utilisation, il peut arriver qu'au moins l'entrée d'air dans le passage de prémélange soit axiale ou radiale mais ne consiste pas en un mélange d'un flux axial et d'un flux radial.
Selon un premier aspect de l'invention, un prémélangeur pour chambre de combustion est proposé et comporte un tube à flamme ayant une ouverture à forme évasée, une pluralité de corps tubulaires disposés de manière télescopique dans le tube à flamme afin d'envoyer des matières combustibles dans un passage de prémélange défini entre le tube à flamme et l'un, le plus à l'extérieur, des différents corps tubulaires, et une pluralité d'ailettes de tourbillonnement réparties dans la direction circonférentielle dans l'ouverture, chacune des différentes ailettes de tourbillonnement comprenant un corps s'étendant dans une dimension radiale depuis le tube à flamme jusqu'au corps tubulaire le plus extérieur, et un bord d'attaque faisant saillie en amont de l'ouverture. Selon un autre aspect de l'invention, un prémélangeur pour chambre de combustion est proposé et comporte une enveloppe annulaire et une paroi annulaire disposée dans l'enveloppe afin de définir des passages de prémélange et de combustible, le passage de prémélange s'étendant vers l'aval depuis une extrémité amont de l'enveloppe et radialement vers l'intérieur depuis un point divergent à l'extrémité amont de l'enveloppe jusqu'à un point convergent, le passage de combustible étant conçu pour envoyer du combustible dans le passage de prémélange tout près du point divergent, et un corps central ayant un tube tout à l'intérieur afin de définir un passage intérieur et pouvant être installé dans la paroi afin de définir un passage intermédiaire, le passage intermédiaire étant en communication fluidique avec le passage intérieur via des premiers trous ménagés dans le tube tout à l'intérieur, le passage de combustible via des deuxièmes trous ménagés dans la paroi en aval des premiers trous, et le passage de prémélange via des troisièmes trous ménagés dans la paroi en aval des deuxièmes trous et tout près du point convergent. Selon encore un autre aspect de l'invention, un prémélangeur pour chambre de combustion est proposé et comporte un tube à flamme annulaire, une paroi intérieure annulaire formée de manière à définir un passage de combustible, et un corps central formé de manière à définir un intérieur, le tube à flamme, la paroi intérieure et le corps central étant disposés de manière télescopique de façon que le tube à flamme et la paroi intérieure définissent un passage de prémélange ayant une extrémité amont convergente et une partie aval, le passage de prémélange étant en communication fluidique avec le passage de combustible à l'extrémité amont, la paroi intérieure et le corps central définissant un passage intermédiaire ayant une extrémité amont et une partie aval divergentes, le passage intermédiaire étant en communication fluidique avec le passage de combustible et l'intérieur à l'extrémité amont et avec le passage de prémélange au niveau de limites respectives des extrémités amont et des parties aval correspondantes ; et le prémélangeur pour chambre de combustion comportant en outre une pluralité d'ailettes de tourbillonnement réparties dans la direction circonférentielle dans le passage de prémélange, chacune des différentes ailettes de tourbillonnement comprenant un corps s'étendant dans une dimension radiale depuis le tube à flamme jusqu'à la paroi intérieure, et un bord d'attaque faisant saillie en amont d'une ouverture du passage de prémélange. 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 en coupe d'un prémélangeur destiné à une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz ; - la figure 2 est une vue en perspective du prémélangeur de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en perspective de la chambre de combustion de la figure 1, pour moteur à turbine à gaz.
Considérant les figures 1 à 3, un prémélangeur 10 pour chambre de combustion est proposé et entretient une faible chute de pression pour faire entrer de l'air avec un mélange accru sans alourdissements notables, grâce à quoi des matières combustibles sont dirigées pour entrer dans des prémélangeurs avec des composantes axiale et radiale de direction d'écoulement. Le prémélangeur 10 pour chambre de combustion comprend un tube à flamme 20, une pluralité de corps tubulaires 30 et une pluralité d'ailettes de tourbillonnement 40. Le tube à flamme 20 comprend une enveloppe annulaire 21 s'étendant depuis une extrémité amont 22 en direction de l'aval à travers une partie tubulaire 23. L'enveloppe tubulaire 21 présente un renflement au niveau de l'extrémité amont 22 pour former une ouverture à forme évasée 25, d'un type en forme de dôme. En fonctionnement, l'air de refoulement du compresseur s'échappant, par exemple, d'un compresseur d'un moteur à turbine à gaz, se dirige vers une extrémité avant du moteur à turbine à gaz vers l'aval et, à mesure que l'air refoulé par le compresseur s'approche de l'ouverture 25 à forme évasée, s'écoule radialement vers l'intérieur en direction de la pluralité de corps tubulaires 30, s'oriente en douceur vers la direction axiale du fait de l'ouverture 25 à forme évasée du type en forme de dôme, puis s'écoule axialement vers l'aval en passant par la pluralité d'ailettes de tourbillonnement 40. La pluralité d'ailettes de tourbillonnement 40 communiquent un moment cinétique à l'air entrant dans l'ouverture 25 à forme évasée de façon que l'air tourbillonne suivant un angle prédéfini établi pour permettre un mouvement axial suffisant de l'air et favoriser un prémélange complet de l'air avec le combustible. L'air refoulé par le compresseur peut également passer par des trous latéraux 26 dans l'enveloppe, qui sont formés dans l'enveloppe annulaire 21. Les trous latéraux 26 de l'enveloppe peuvent être ménagés en aval de la pluralité d'ailettes de tourbillonnement 40 et, dans certaines formes de réalisation, peuvent être formés sensiblement tout près de bords de fuite 43 de celles-ci. Les trous latéraux 26 dans l'enveloppe réduisent le nombre et les effets des zones à faible vitesse provoqués, par exemple, par le soufflage de la couche limite. Les différents corps tubulaires 30 sont disposés de manière télescopique dans l'enveloppe annulaire 21 du tube à flamme 20 et sont conçus pour envoyer des matières combustibles dans un passage de prémélange 31. Le passage de prémélange 31 est défini entre l'enveloppe annulaire 21 et une surface extérieure 32 d'un corps tubulaire 33 le plus à l'extérieur de la pluralité de corps tubulaires 30. L'air entrant dans l'ouverture 25 à forme évasée et passant par les ailettes de tourbillonnement 40 s'avance dans le passage de prémélange 31 dans lequel il est prémélangé avec le combustible fourni par la pluralité de corps tubulaires 30 Le fait que les ailettes de tourbillonnement 40 soient placées en amont du passage de prémélange 31 permet une plus grande distance de prémélange. De plus, une pression le long du passage de prémélange 31 est maintenue à un niveau sensiblement uniforme. Ces ailettes de tourbillonnement 40 sont réparties dans la direction circonférentielle dans l'ouverture 25 à forme évasée. Chacune des différentes ailettes de tourbillonnement 40 comprend un corps relativement mince 41 en comparaison de la longueur circonférentielle de l'ouverture à forme évasée, ce qui permet un allègement, un bord d'attaque 42 et un bord de fuite 43. Le corps 41 de chacune des différentes ailettes de tourbillonnement 40 s'étend dans une dimension radiale depuis le bord d'attaque et le diamètre intérieur de l'enveloppe annulaire 21 jusqu'à la surface extérieure 32 du corps tubulaire 33 le plus à l'extérieur. Le bord d'attaque 42 fait saillie en amont de l'ouverture à forme évasée et le bord de fuite 43 est oblique afin de favoriser l'écoulement angulaire de l'air. Le bord d'attaque saillant 42 assure un moment axial/radial à tangentiel relativement léger à l'extrémité amont 22 et, de ce fait, une entrée relativement souple de l'air. Selon des formes de réalisation, chacune des différentes ailettes de tourbillonnement 40 a une forme sensiblement en spirale dans la dimension radiale. Avec cette construction, les sections transversales de l'enveloppe annulaire 21 et de la pluralité d'ailettes de tourbillonnement 40 ont une configuration 44 en forme de dôme ou quelque autre configuration similaire. Comme représenté sur la figure 1, le corps tubulaire 33 le plus à l'extérieur diverge vers l'amont en direction d'une bride de montage 34 et, là où l'enveloppe annulaire 21 forme l'ouverture 25 à forme évasée et chevauche axialement le corps tubulaire divergent 33 le plus à l'extérieur, le passage de prémélange 31 est divergent vers l'amont pour imiter la divergence du corps tubulaire 33 le plus à l'extérieur. Les différents corps tubulaires 30 envoient des matières combustibles à un premier endroit 50 dans l'ouverture 25 à forme évasée, là où le passage de prémélange 31 est divergent et à un second endroit 51 en aval de l'ouverture 25 à forme évasée, là où le passage de prémélange 31 a convergé vers le moyeu 60. Le premier endroit 50 peut être déplacé vers l'amont ou vers l'aval ou défini dans la direction circonférentielle entre les ailettes de tourbillonnement 40 de façon que le combustible puisse être envoyé dans des zones à vitesse relativement élevée. La convergence de fluides est provoquée par la construction divergente expliquée plus haut et permet une accélération au niveau du moyeu et un moindre risque de rétention de flamme.
L'air entrant dans l'ouverture 25 à forme évasée se mélange au combustible entrant dans le passage de prémélange 31 aux premier et second endroits 50, 51 et ce mélange est favorisé et facilité à mesure que les matières combustibles convergent vers le moyeu 60. De plus, comme représenté sur la figure 2, le passage de prémélange 31 se resserre radialement vers l'aval depuis le second endroit 51. Ainsi, le prémélange est favorisé à mesure que les matières combustibles convergent vers le moyeu 60 depuis l'extrémité amont 22 et une chute de pression est évitée puisque les matières combustibles s'écoulent le long de la partie tubulaire 23 à resserrement. Les différents corps tubulaires 30 comprennent en outre un corps central 35. Le corps central 35 peut être installé dans une brèche ménagée dans la pluralité de corps tubulaires 30 afin de définir un passage intermédiaire 36 et comprend un tube 37 tout à l'intérieur. Le tube 37 tout à l'intérieur est formé de manière à définir un passage intérieur 38 qui reçoit une quantité d'air de purge. La surface extérieure 32 du corps tubulaire 33 le plus à l'extérieur forme le moyeu 60 sous la forme d'une paroi annulaire intérieure 61 disposée de manière télescopique partiellement dans l'enveloppe annulaire 21 afin de définir une section amont du passage de prémélange 31. La paroi annulaire intérieure 61 comprend en outre une partie formant paroi extérieure 321 et une partie formant paroi intérieure 322 qui divergent l'une de l'autre au niveau d'un point de séparation situé à un bord aval de celle-ci située tout près de l'extrémité amont 22 afin de définir le passage 62 de combustible. Comme indiqué plus haut, le passage de prémélange 31 s'étend vers l'aval depuis l'extrémité amont 22 et converge radialement vers l'intérieur depuis un point divergent tout près du premier endroit 50 à l'extrémité amont 22 jusqu'à un point convergent tout près du second endroit 51, qui est intercalé axialement entre l'extrémité amont 22 et la partie tubulaire 23 à resserrement vers l'aval. Le passage 62 de combustible est conçu pour envoyer du combustible dans le passage de prémélange 31 tout près du point divergent à l'extrémité amont 22, via des trous 63 pour combustible. Le passage intermédiaire 36 est en communication fluidique avec le passage intérieur 38 via des premiers trous 70 ménagés dans le tube 37 le plus à l'intérieur. De plus, le passage intermédiaire 36 est en communication fluidique avec le passage 62 de combustible via des deuxièmes trous 71 ménagés dans la paroi intérieure annulaire 61, à un emplacement axial situé en aval de celui des premiers trous 70. Le passage intermédiaire 36 est également en communication fluidique avec le passage de prémélange 31 via des troisièmes trous 72 formés dans la paroi intérieure annulaire 61 à un emplacement axial situé en aval des deuxièmes trous 71 et tout près du point convergent et du second endroit 51. Les premiers trous 70, les deuxièmes trous 71 et les troisièmes trous 72 peuvent être répartis et inclinés pour atténuer la dynamique et la baisse de recirculation à l'arrière des jets. Ainsi, l'air de purge, qui accentue le mélange et qui est envoyé dans le passage intermédiaire 36 et le passage intérieur 38, passe par les premiers trous 70 et se mélange au combustible venant du passage 62 de combustible via les deuxièmes trous 71 du passage intermédiaire 36. Ce mélange de combustible et d'air entre ensuite, via les troisièmes trous 72, dans le passage de prémélange 31 où il se mélange aux matières combustibles déjà présentes dans le passage de prémélange 31. Le mélange final de combustible et d'air continue à circuler dans la partie tubulaire 23 à resserrement vers l'aval et entretient la pression du fait du resserrement radial du passage de prémélange 31 vers l'aval. Le resserrement radial peut être défini avec la paroi intérieure annulaire 61 divergeant vers l'aval depuis le second endroit 51. Les trous 63 pour combustible, les premiers trous 70, les deuxièmes trous 71 et les troisièmes trous 72 peuvent être répartis dans la direction circonférentielle autour de leurs parois/tubes respectifs et peuvent être espacés les uns des autres à intervalles sensiblement uniformes ou non uniformes.
Liste des repères 10 Prémélangeur pour chambre de combustion 20 Tube à flamme 21 Enveloppe annulaire 22 Extrémité amont 23 Partie tubulaire 25 Ouverture à forme évasée 26 Trous latéraux de l'enveloppe 30 Pluralité de corps tubulaires 31 Passage de prémélange 32 Surface extérieure 33 Corps tubulaire le plus à l'extérieur 34 Bride de montage 35 Corps central 36 Passage intermédiaire 37 Tube le plus à l'intérieur 38 Passage intérieur 40 Pluralité d'ailettes de tourbillonnement 41 Corps 42 Bords d'attaque 43 Bords de fuite 44 Configuration en forme de dôme 50 Premier endroit 51 Second endroit 60 Moyeu 61 Paroi intérieure annulaire 62 Passage de combustible 63 Trous pour combustible 70 Premiers trous