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" Procédé et dispositif pour charger des chambres d'explosion oblongues ".
Dans le fonctionnement de chambres d'explosion, notamment pour turbines à oombustion interne, on se trouve en faoe de problèmes particuliers du fait que le résidu des gaz de oombustion restant dans la chambre d'explosion après expansion de ces gaz, doit être enlevé. Eu égard au balayage ainsi nécessaire de la chambre d'explosion pour la débarras-
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ser des gaz de combustion résiduels, on a abandonné la forme en poire de la chambre d'explosion, forme apparentée à'l'es- pace de combustion sphérique, et,au lieu de cette forme en poire,on a réalisé une forme de chambre oblongue, plus ou moins cylindrique.
On obtient ainsi,il est vrai, des oonditions de balayage extrêmement avantageuses, mais il faut accepter certaines difficultés s'opposant à la charge uniforme de la chambre avec les agents de service à introduire dans la chambre pour la formation du mélange de combustible et d'air. On a déjà réussi à surmonter ces difficultés. Par exemple, on a expulsé le résidu de combustion hors de la chambre d'explosion directement par le mélange de combustible et d'air,de sorte que ce mélange avance, dans le genre d'un piston, en étant également divisé sur la section transversale de la chambre, des organes d'admission aux organes d'évacuation.
La seule condition consiste à intercaler entre les gaz de combustion résiduels et le mélange de combustible et d'air qui avance, une couche intermédiaire de gaz qui n'a pas tendance à se mélanger avec les gaz de combustion résiduels, ni avec le mélange de combustible et d'air, et ne subit )sous l'influence des deux,aucune modification chimique. Ces oonditions sont remplies par un coussin d'air à surfaces de délimitation planes, surfaces qui peuvent être réalisées par la disposition d'une extrémité d'admission pratiquement conique de la chambre d'explosion. Ce mode de charge nécessite donc que l'organe d'évacuation de la chambre d'explosion, par lequel les gaz de combustion résiduels sont expulsés, soit ouvert pendant la charge avec du combustible, de sorte qu'on peut parler d'une " charge ouverte " de la chambre dtexplo- sion.
Bien qu'avec un semblable procédé on puisse obtenir un remplissage uniforme parfait de la totalité de l'intérieur de la chambre avec le mélange de combustible et d'air,
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il faut néanmoins reconnaître que ce procédé exige une dépense relativement forte en compression. En effet, l'air ainsi que le combustible doivent être introduits dans la chambre à la pleine pression qui doit régner avant l'allumage, de sorte qu'en conséquence la totalité de l'air et la totalité du combustible doivent être comprimées à cette pression. Bien qu'une partie du travail de compression soit récupérée dans le rotor de la turbine par les gaz de combustion résiduels expulsés de la chambre d'explosion à la même pression, cette récupération n'est pas complète.
Pour cette raison,,on a appliqué le procédé de charge subséquente, d'après lequel les gaz de combustion sont expulsés par de l'air de balayage ou de refoulement de pression relativement faible, ce qui assure une économie notable en travail de compression. Après terminaison du processus d'expulsion, l'organe d'évacuation de la chambre d'explosion est fermé et le combustible est introduit dans la chambre close, soit seul, soit conjointement avec de l'air additionnel, ou air de charge subséquente. Mais,de par la nature de ce " procédé de charge clos ", il se produit, à l'encontre de la " charge ouverte ", des conditions qui rendent difficile ou même impossible le remplissage uniforme de l'intérieur de la chambre d'explosion avec du mélange de oombustible et d'air.
En effet, tandis que dans la charge ouverte, l'avancement du mélange de combustible et d'air dans le genre d'un piston n'offre pas de difficultés, car les agents de remplissage de la ohambre d'explosion situés entre ce piston de gaz et l'organe d'évacuation de la chambre, sont évacués par l' organe d'évacuation ouvert, conformément à l'avance du mélange de combustible et d'air, dans le procédé de charge close, l'air de balayage remplissant la chambre ne peut plus sortir, ni stécarter. Au contraire, le piston gazeux, formé par le
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combustible ou son air porteur, heurte l'air restant du processus d'expulsion dans la chambre d'explosion, chasse tout d'abord cet air devant lui et le comprime finalement vers l' extrémité d'évacuation de la chambre.
Il ne peut donc se produire auoun mélange appréciable entre le combustible et l'air remplissant la chambre, de sorte que les particules individuelles de combustible ne sont pas enveloppées de l'oxygène nécessaire pour l'exécution d'une combustion parfaite; l'explosion est,par conséquent,lente et imparfaite.
Des constatations de ce genre ne sont pas passées inaperçues et on a déjà proposé d'introduire le combustible, ou le porteur de combustible, ainsi que l'air de combustion éventuellement nécessaire en plus de l'agent de refoulement,,dans la chambre de combustion en évitant les dispositifs sous l'influence desquels l'agent servant au refoulement des gaz de combustion résiduel, expulse ces gaz dans le genre d'un piston hors de la chambre d'explosion. Des mesures de ce genre ont déjà assuré des améliorations notables par rapport au procédé de charge subséquente actuellement en usage, en ce qui concerne la distribution du mélange de combustible et d'air sur l'intérieur de la chambre.
Par contre, on n'a pas pu réaliser de cette manière la perfection du procédé de charge ouverte, et la présente invention a pour but de disposer le procédé de charge et les dispositions servant à sa mise en oeuvre de manière à pouvoir assurer le perfectionnement désiré.
Le procédé proposé pour obtenir ce résultat, servant à la charge de chambres d'explosion oblongues, de préférence pour turbines à combustion interne, avec des combustibles gazeux ou des gaz portant des combustibles, est caractérisé, d' après la présente invention,du fait que le combustible est conduit à travers la chambre au moyen de courants engendrés
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le long de la paroi de la chambre, sur un seul côté d'un plan oontenant l'axe longitudinal de la chambre, ou d'un plan parallèle à cet axe, de préférence avec formation de tourbillons dissociant le courant de combustible, et tournant transversalement à l'axe longitudinal de la chambre.
Au moyen de cette introduction du combustible, l'air de refoulement a tout d'abord l'occasion de s'écarter latéralement, de sorte qu'une avance du combustible en direction des organes d'admission aux organes d'évacuation, est possible. Mais,de plus, l'introduction unilatérale du combustible a pour effet que les quantités d'air situées dans le voisinage de l'organe d'admission de combustible sont,elles aussi.accélérées et sont mises en mouvement, unilatéralement, de sorte qu'il se forme dans le voisinage du point d'introduction du combustible, un tourbillon en forme de rouleau ou cylindre, dont l' axe s'étend environ transversalement à l'axe longitudinal de la chambre d'explosion et qui, en conséquence, distribue le combustible sur la section transversale de la chambre et le mélange avec de l'air.
Du fait que l'introduction unilatérale de combustible progresse vers les organes d'évacuation de la chambre d'explosion, d'autres quantités d'air, de plus en plus éloignées du point d'admission, sont accélérées et refoulées latéralement,'de sorte que la formation des tourbillons cylindriques continue, ce qui assure la distribution de combustible transversalement à l'axe longitudinal de la chambre, et le mélange du combustible aveo l'air.
De cette manière,il se forme finalement, même dans les parties de la chambre située juste devant les organes d'évacuation de cette chambre, un semblable tourbillon, de sorte qu'il se produit là aussi la dis- tribution et le mélange requis du combustible dans et avec l'air, et que ce n'est plus qu'une question de temps et,en conséquence, de vitesse d'introduction du combustible, pour
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pouvoir remplir de cette manière d'un mélange de combustible et d'air, uniformément réparti à l'intérieur de la chambre, même des chambres de dimension axiale extrêmement grande.
Il est évident que ce guidage unilatéral du combustible à travers la chambre d'explosion peut s'effectuer de la manière la plus diverse. Un procédé particulièrement simple est celui dans lequel, au moyen de courants engendrés à partir du moment de son introduction dans la chambre, le long de la paroi de la chambre, et notamment par des tourbillons formés avant et pendant la production par dissociation du oombustible et tournant transversalement à ltaxe longitudinal de la chambre,le combustible est conduit à travers la chambre sur un côté d'un plan contenant l'axe longitudinal de la chambre ou d'un plan parallèle à cet axe.
Mais ce procédé déterminerait une disposition unilatérale correspondante des organes d'admission du combustible, de sorte qu'eu égard aux conditions d'espace limitées à l'extrémité d'admission toujours conique de la chambre d'explosion et, en conséquenceà la nécessité de réaliser des sections transversales de passage déterminées pour le combustible et le gaz qui le porte, on a tendance à répartir les organes d'admission du combustible uniformément sur la circonférence de la chambre d'explosion.
Cette possibilité est donnée si, suivant une autre forme d' exécution de l'invention, le combustible n'est conduit qu'au moyen de courants engendrés à partir de l'instant de son contact avec la paroi de la chambre le long de cette paroi, à travers la chambre, sur un côté d'un plan contenant l'axe longitudinal de la chambre, ou d'un plan parallèle à cet axe, tandis qu'il est introduit tout d'abord dans la chambre sur le côté opposé et est envoyé angulairement à l'axe longitudinal de la chambre et en travers de cette dernière, au point de contact avec la chambre.
En conséquence, avec l'emploi
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simultané de la première forme d'exécution du procédé, le combustible est conduit au moyen de courants engendrés le long de la paroi de la chambre, sur un côté d'un plan oontenant l'axe longitudinal de la chambre ou d'un plan parallèle à cet axe, à travers la chambre, les courants étant composés de courants de combustible engendrés à l'instant de l'introduction dans la chambre et de courants engendrés seulement à partir de l'instant du contact avec la paroi de la chambre le long de cette paroi, ces derniers oourants de combustible étant introduits dans la chambre sur le côté opposé et étant envoyés angulairement à l'axe longitudinal de la chambre, en travers de cette dernière, vers le point de contact aveo la paroi de la chambre.
Mais,si on estime pouvoir se passer de la disposition symétrique ainsi assurée des organes d'admission du combustible, on peut évidemment n'employer que le procédé indiqué en premier ou que le procédé indiqué en second.
Les dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé peuvent être construits de la manière la plus diverse. Ils sont principalement caractérisés par la disposition de surfaces directrices, dont l'agencement et la direction sont déterminés du fait que le combustible est conduit en courants formés dans le voisinage le long de la paroi de chambre, sur un côté d'un plan oontenant l'axe longitudinal de la chambre, ou d'un plan parallèle à cet axe.
Les surfaces directrices peuvent alors être formées tout d'abord par des capuchons qui sont disposés dans l'intérieur de la chambre devant les embouchures des organes d'admission du combustible et sont établis en forme de oalotte, qui est complètement close, sauf une fente dirigée vers.les organes d'évacuation de la chambre d'ex- plosion. Mais des surfaces directrices ayant même effet, c' est-à-dire un écoulement de combustible dirigé à partir du
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point d'admission le long de la paroi de la ohambre, peuvent aussi être formées par des chapelles de soupape des organes d'admission de combustible, comportant dans leur enveloppe des échancrures ouvertes vers les organes d'évacuation de la chambre d'explosion et closes quant au reste.
Par contre, pour la mise en oeuvre du deuxième procédé, on se sert,de préférence,de surfaces directrices qui sont formées par les percées des surfaces de fond des chapelles de soupape des organes d'admission de combustible, chapelles qui,quant au reste, sont closes. L'axe longitudinal de ces percées est inoliné suivant un angle par rapport à l'axe longitudinal de la chambre d'explosion et rencontre la paroi opposée de la chambre environ à hauteur du passage entre le cône d'admission et la partie cylindrique de la chambre d'admission.
En oonsé- quence, en cas de disposition symétrique des organes d'admission, les surfaces directrices doivent être formées aussi bien par des calottes de la construction ci-dessus spécifiée,que par les échancrures ou les percées, ou les échancrures et les percées, des chapelles de soupape de ces organes d'admission.
Les dessins ci-joints représentent, à titre d'exemples, des formes d'exécution de chambres d'explosion pour la mise en oeuvre du procédé de charge de l'invention. Les oombustibles utilisés sont des gaz de hauts-fourneaux.
La figure 1 est une coupe longitudinale verticale d'une turbine à combustion interne, avec deux chambres d'explosion adjointes, l'une de ces chambres étant,elle aussi,représentée en coupe longitudinale suivant la ligne I - I de la figure 2.
La figure 2 correspond à une coupe transversale de la chambre d'explosion de la figure 1 à hauteur des organes d' admission de combustible et suivant la ligne II - II de la figure 1.
Les autres organes d'admission représentés en coupe
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transversale horizontale sur la figure 2 sont représentés sur les figures 3 et 4 en coupe longitudinale verticale.
Les figures 5 à 7 représentent une chambre d'explosion diaprés la figure 4, à des instants différents du processus de charge*
Dans la disposition générale de la figure 1, 1 désigne la soupape d'air de balayage, 2 des soupapes d'admission de gaz de haut-fourneau, 3 la soupape d'air de charge subséquente, 4 l'extrémité d'admission conique de la chambre d'explosion, 5 la partie centrale cylindrique de cette chambre avec bougies d'allumage 6 ; 7 désigne l'extrémité d'évacuation de la chambre d'explosion, 8 la soupape à tuyères, 9 les tuyères, 10 les aubes mobiles des rotors de turbine 11 ;
12 désigne les aubes directrices, 13 la tubulure d'évacuation pour les gaz de combustion usés, et 14 la soupape d'évacuation par laquelle les gaz de combustion résiduels sont évacués et sont oonduits à leur utilisation ultérieure. Tous ces dispositifs sont connus dans les chambres d'explosion.
Le fonctionnement est le suivant : le résidu des gaz de combustion situés dans la chambre d'explosion 4,5, 7, après que ces gaz ont sollicité,par la soupape à tuyères 8 les rotors de turbine 11, est expulsé par la soupape d'évacu- ation 14 au moyen d'air de refoulement qui entre en action par ouverture de la soupape d'air de balayage 1. Après balayage de ces gaz de combustion résiduels hors de la chambre de oombustion, les soupapes 1 et 14 se ferment, et les soupapes 2 et 3 s'ouvrent pour introduire dans la chambre d'explosion le combustible sous forme de gaz de haut-fourneau, ainsi qu' une faible quantité d'air de charge subséquent, ou air secondaire; après formation d'un mélange homogène remplissant également la chambre d'explosion, les bougies 6 allument la charge explosive ainsi formée.
Puis la soupape à tuyères 8 s'ouvre,
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de sorte que les rotors de turbine sont actionnés. Dès que la pression régnant dans la chambre a baissé à la tension des gaz de combustion résiduels, la soupape d'évacuation 14 s'ouvre, et le jeu recommence.
Pour former un mélange d'air et de combustible homogène, remplissant uniformément la chambre d'explosion, on a pris d'après la présente invention les dispositions suivantes :
La chapelle 15 de la soupape d'admission de gaz de haut-fourneau 2 est complètement close sauf des percées 16.
L'axe de ces percées coupe l'axe longitudinal de la chambre d'explosion suivant un angle et rencontre la paroi opposée de la chambre d'explosion environ à hauteur du passage entre l'extrémité d'admission conique 4 de la chambre d'explosion et la partie cylindrique 5 de cette chambre.
En conséquence, lors de l'ouverture de la soupape d'admission 2, le combustible est introduit suivant un angle à l'axe longitudinal de la chambre d'explosion en travers de cette chambre jusqu'à ce qu'il frappe la paroi opposée de la chambre, pour adopter en ce point un écoulement pratiquement le long de la paroi de la chambre d'explosion. Dans la portée de ce courant engendré le long de la paroi de la chambre, le combustible n'est conduit à travers la chambre que sur un côté d'un plan contenant l'axe longitudinal de la chambre ou parallèle à cet axe.
Cette introduction unilatérale fait que l'air de balayage ou de refoulement,qui remplit déjà l'intérieur de la chambre dtexplosion, est refoulé vers la paroi de gauche de la chambre, de sorte que l'écoulement de combustible unilatéral représenté peut avoir lieu. Dans cet écoulement, des tourbillons en forme de cylindres, dont l'axe est environ perpendiculaire au plan du dessin,sont obligés de se former. Ces tourbillons cylindriques répartissent le combustible sur l'ensemble
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de la section transversale de la chambre et effectuent,de cette manière, un mélange parfaitement uniforme du combustible et de l'air.
A la fin du processus de charge, la ohambre d'explosion est donc remplie d'un mélange de combustible et d'air homogène, réparti de manière parfaitement uniforme sur l'intérieur de cette chambre, de sorte qu'au moment de l'allumage toutes les conditions pour une explosion brisante parfaite sont assurées.
D'après ce qui précède, on se rend compte que la seule soupape d'admission de gaz de haut-fourneau 2,visible sur la figure 1, suffit, dans la construction représentée, complètement pour effectuer l'introduction unilatérale du combustible.
Mais comme on désire en général disposer plusieurs organes d'admission, afin de ne pas être gêné par les sections de passage relativement grandes,et l'encombrement en résultant, d' une seule soupape d'admission, la forme d'exécution d'après la figure 2 sera préférable. Dans cette figure,la soupape d' admission 21 est établie d'après les propositions illustrées sur la figure 1. Mais cette construction ne peut pas être utilisée pour les deux autres soupapes d'admission, car.,en pareil cas.on n'obtiendrait pas un écoulement unilatéral le long de la paroi de la chambre d'explosion. Les deux autres soupapes doivent être établies d'après la figure 3 ou la figure 4 ou d'après ces deux figures.
D'après la figure 3, la soupape d'admission de gaz de haut-fourneau 22 possède de nouveau une chapelle close 17, dont la chemise comporte,en 18,une échan- crure en forme de fente, dirigée vers les organes d'évacuation 8,10 de la chambre d'explosion. Pour'assurer l'action de cette échancrure en forme de fente, le cône d'admission 4 de la chambre d'explosion est évidé en forme de niche en 19.
Si,en conséquence,la soupape d'admission 21 ( figure 2 ) est établie d'après la figure 1, et si les deux autres soupapes
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sont établies d'après la figure 3, le combustible introduit par la percée 16 suivant un angle à l'axe longitudinal de la chambre et à travers cette chambre, et conduit à partir du point de contact avec la paroi opposée de la chambre le long de cette paroi, se réunit avec le combustible qui a été introduit sur ce côté seulement le long de la paroi de la chambre par les fentes 18, de sorte qu'on obtient l'écoulement unilatéral désiré le long de la paroi de la chambre d'explosion.
Au lieu de réaliser par des percées 16 ou des éohancrures 18 les surfaces directrices menant à de semblables écoulements du combustible, on peut former avantageusement, d'après la figure 4, les surfaces directrices au moyen des capuchons 20, qui sont disposés devant les embouchures 21 des chapelles 22 des soupapes d'admission, vers l'intérieur de la chambre d'explosion. Ces capuchons 20 sont, sauf les fentes 23, ouvertes vers les organes d'évacuation 8, 11 de la chambre dtexplo- sion, des calottes closes, de sorte que le combustible entrant par les fentes 23 dans la ohambre d'explosion, adopte à partir du moment d'admission un écoulement unilatéral le long de la paroi de cette chambre.
Il en résulte que les autres organes d'admission prévus d'après la figure 2 peuvent être établis conformément à la figure 4, en sorte qu'ils sont représentés de manière correspondante sur la figure 2.
On a représenté sur les figures 5 à 7 les divers états du processus de charge ; cesmêmes figures permettent de se rendre compte de la formation des tourbillons cylindriques et de leur propagation du point d'admission à l'extrémité dtéva- cuation de la chambre d'explosion. Cette chambre est construite dans ce cas d'après la figure 4.
Au début de l'admission de combustible, il se forme tout d'abord, d'après la figure 5, dans le voisinage du point
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d'admission du combustible, un tourbillon cylindrique. Bien que tout d'abord les masses d'air situées dans la chambre d'explosion offrent une résistance au combustible introduit et le dévient, cependant des particules d'air de plus en plus éloignées avec le temps du point d'introduction du oombustible sont mises en mouvement, de sorte que la déviation du jet de combustible introduit a lieu à une distance de plus en plus grande du point d'introduction. En conséquence, le cylindre ou rouleau divisant le combustible s'écarte de plus en plus du point d'introduction, sans que le tourbillon cylindrique engendré dans le voisinage du point d'introduction disparaisse.
En fin de compte,le déplacement du tourbillon cylindrique et la formation de nouveaux tourbillons provoque,à la fin du processus,l'établissement de l'état de la figure 7, ainsi que représenté aussi sur la figure 1. En comparant les figures 1 et 7,on se rend compte que,pour la formation de tourbillons cylindriques, le point d'introduction doit se trouver dans la construction de la figure 1 sur le côté de l'axe longitudinal de la chambre d'explosion opposé au côté du point d'in- troduotion de la construction d'après la figure 7, ou la figure 4. En conséquence, suivant que représenté sur la figure 2, il est possible de disposer des soupapes d'admission symétriquement à l'axe longitudinal de la chambre et d'assurer cependant une introduction unilatérale du combustible d'après la présente invention.
Il est tout à fait indifférent que les organes d'admission soient établis moitié d'après la figure 1, moitié d'après les figures 3 à 7; ou,en cas de nombre impair de ces organes, ainsi que représenté par exemple, sur la figure 2, le plus petit nombre de ces organes soit conforme à la figure 1 et le plus grand nombre aux figures 3 à 7, ou que la répartition soit juste l'inverse, car rien n'est modifié de ce fait quant à l'effet, c'est-à-dire le guidage uni-
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latéral du jet de combustible le long de la paroi de la chambre d'explosion.