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B R U L E U R
La présente invention se rapporte à des brûleurs dans 'lesquels le combusti- ble et l'air sont introduits dans une chambre de combustion formée par les parois du brûleur et sont brûles pour produire des gaz. L'invention est spécialement ap- -plicable aux turbines à gaz bien qu'elle ne soit pas limitée à cette application mais puisse être utilisée dans n'importe quel domaine.
Un objet de cette invention est de réaliser un brûleur de construction sim- ple et qui, pour une capacité donnée, est nettement plus petit et plus compact que les constructions antérieures et en fait, considérablement plus petit que les cylindres des moteurs à combustion interne de capacité µgale.
Un autre objet de cette invention est d'améliorer la construction suivant une disposition telle que les variations de charge du brûleur, c'est-dire les
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variations de débit du combustible, n'éteignent pas la flamme.) Jusqu'ici, on a rencontré des difficultés avec les 'brûleurs car, lorsqu'on essaye d'atteindre des taux élevés de combustion, la flamme risque d'être soufflée.
Un. important objet de cette invention, avantageux pour certaines applica- tions, est de permettre non seulement l'amorçage de l'allumare dans les conditions favorables de faible débit d'air, mais aussi de donner un allumage rapide par étincelle à tous les débits d'air.
Un autre objet de cette invention est de réaliser un brûleur qui peut être construit avec succès entièrement avec des métaux tels que l'acier à faible teneur en carbone ou les alliages inoxydables.
Encore un autre objet de cette invention est de réaliser un brûleur capable de supporter de grandes variations de charge et de pression et dans lequel les dé- pôts de carbone sont évités.
Ce 'brûleur amélioré est bien adapté à l'emploi de combustibles liquides tels que le "fuel oil" (mazout) ou de combustibles solides comme le charbon pul- vérisé.
On comprendra mieux les avantages et les caractéristiques nouvelles de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accom- pagnent, donnés simplement à titre d'exemple et dans lesquels
La figure 1 est une section longitulinale du brûleur incorporant cette invention*
La figure 2 est une vue à plus grande échelle de l'extrémité, cote admis- sion.
La figure 3 est une section suivant la ligne 3-3 de la figure 2.
La figure 4 est une vue de face du gicleur et des parois de la chambre adjacente.
La figure 5 est une section détaillée suivant la ligne 5-5 de la figure 4.
La figure 6 est une section d'une modification.
La figure 7 est une section suivant la ligne 7-7 de la figure 6.
La figure 8 est une coupe partielle du brûleur à charbon pulvérisé.
La figure 9 montre l'agencement de plusieurs brûleurs et
La figure 10 est une coupe partielle d'une autre modification.
En se rapportant aux figures 1 à 5 inclus, on voit que le brûleur compor- te deux parois concentriques, une pareiinterne 10 et une paroi externe 11 main- tenues en place l'une par rapport à l'autre par des ailerons 12 longitudinauxx répartis sur la circonférence et qui peuvent être soudés ou fixés autrement
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soit à l'une, soit aux deux parois 10 et 11. Les extrémités des parois la et 11 du brûleur, du côté de la décharge, sont coniques et se rejoignent en 13.
Dans le cas présent, la partie cônique de décharge de la paroi interne 10 est une pièce séparée 14 qui peut coulisser, en 15, au-dessus de la partie principale de la pa- roi 10, Son extrémité est en forme d'orifice de décharge 16 et peut glisser sur la pièce 14 à laquelle elle est attachée librement par des étriers 16t disposés sur la circonférence et qui peuvent' être soudés sur la pièce 14 et s'engager au-dessus de l'extrémité de l'orifice 16. Cet arrangement permet aux pièces de se dilater et se contracter rapidement l'une par rapport à l'autre. L'orifice de décharge 16 peut conduire les gaz à n'importe quel point d'utilisation désiré, tel que les au- bes de la roue d'une turbine à gaz.
L'extrémité antérieure ou d'admission de la paroi interne 10 est fermée par une tête 17. L'extrémité antérieure ou d'admission de la paroi externe 11 est fer- mée par une tête 18. Supportés au centre des têtes 17 et 18 se trouvent les dis- positifs d'amenée du combustible, En 20, il y a une bougie d'allumage convenable pour allumer initialement le combustible.
Le dispositif d'amenée du combustible comprend un conduit tubulaire 21 (fi- gures 4 & 5) ayant une paroi d'about arrondie 22 dans laquelle est percée une pe- tite ouverture de décharge 23, Le conduit 21 est placé dans un boitier extérieur 24 qui, d'un côté, se projette à travers une ouverture dans la tête 17 et, de l'au- tre côté, est pourvu d'une saillie qui s'ajuste dans l'ouverture dé la tête 18.
Ainsi, le boitier est fermement fixé dans les deux têtes. En 26 se trouve un tuyau d'amenée par lequel le "fuel'oil" est refoulé vers le gicleur par.une pompe conye- nable ou un autre moyen adéquat (qui n'est pas représenté),
L'espace entre les parois 10 et 11 et entre les têtes 17 et 18 forme une chambre d'amenée d'air 26 à laquelle l'air est fourni par un conduit 27 d'une sour- -ce adéquate, telle qu'un compresseur d'air (qui n'est pas représenté'). Dans le cas d'une turbine à gaz, ce peut être un compresseur entraîné par la turbine ac- tionnée par les gaz du brûleur.
Dans la paroi interne 10, une quantité de rangées de trous 28 sont perforés, suivant des génératrices du cylindre espacées sur la circonférence, et par lesquels l'air passe de la chambre 26 dans la chambre formée par la paroiinterne 10 qui est l'endroit où se produit la combustion, Dans le cas présent, huit rangées de trous sont représentées à distances égales. Cependant, un plus grand ou plus pe- tit nombre de rangées de trous peut être utilisé. En modifiant le nombre de trous on peut obtenir un contrôle du gradient de température à la sortie du brûleur.
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Les rangées de trous se terminent avant la tête 17 (autrement dit, le pre- mier rang de trous est éloigné de la tête 17) pour délimiter ce qui peut être appe- lé une chambre de mélange initial et d'allumage 30 dans laquelle l'air n'arrive pas directement par les trous 28. Le gicleur projette le combustible en brouillard dans la chambre 30; la disposition est telle que le combustible est bien distribué dans toute la chambre, A cette fin, un gicleur à large angle de jet, 80 ou plus, est préférable.
Le premier rang de trous 28 est placé à ;ne distance de la tête 17 telle que le combustible lancé en brouillard ppar le gicleur ne puisse les at- teindre; ainsi, des gouttes de combustible ne peuvent être projetées directe.ment dans le courant d'air entrant, Pour cela, le premier rang de trous doit être dis- tant de la tête 17 d'une longueur de l'ordre de 0,7 du diamètre du cylindre formé par la paroi 10, c'est-à-dire 0,7 du diamètre de la chambre de combustion,,
Le gicleur 21 a comme premier objet une distribution du combustible uniforme aux environs de l'axe de la chambre et il doit permettre un contrôle du débit, de préférence par variation de pression,, La distribution uniforme du combustible dans de larges limites de débit est Importante,
spécialement si on désire des tempéra- tures uniformes à la sortie du brûleur, Un autre desiderata pour obtenir le meil- leur résultat est que le combustible reçoive une composante de vitesse vers l'avant ou moment aussi faible que possible. Ceci évite la projection de grosses goutte- lettes de combustible ou un écoulement de combustible entre les rangées de trous et de ce fait, une combustion imparfaite.
En marche, le combustible est fourni à la chambre 30 par le gicleur 21 et l'air est'amené par les trous 28 à la chambre de combustion.
Le phénomène qui se produit est illustré par les figures 2 et 3. L'air en- trant par chaque rangée de trous coule en courants radiaux convergents et se mélan- -geant au centre de la chambre de combustion, Ceci est illustré par la figure 3 où 31 indique les contours des courants d'air s'écoulant par une rangée de trous 28 et se heurtant l'un contre l'autre près du centre de la chambre de combustion en 32.
Entre les courants d'air 31 se trouvent des espèces de poches de forme triangulaire 33, Au centre de la chambre de combustion, l'air tourne et s'écoule axiale ment, Des deux ou trois premières ranges de trous, près de la chambre 30, l'air s'écoule vers la tête 17 comme l'indiquent les flèches 34, ce courant étant limité à la partie axiale centrale de la chambre.' Sur la figure 3, les bêtes de flèches sont représentées par des points entouras de cercles, Quand l'air appro- che de la tête, 11 tourne en spirale radiale:!lent vers l'extérieur comme le montrent les flèches courbes 35.
Le brouillard de combustible est représenté en 36* @
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Ltair circule à travers ce brouillard en emportant des particules de combustible et cet air chargé de ces particules s'écoule axialement comme l'indiquent les flè- ches 37, le courant passant en principe d'abord à travers les poches 33. Les flots d'air des autres rangées de trous 28, après s'être heurtés les uns aux autres dans la partie centrale de la chambre de combustion, s'éo@ulent axialement vers l'ex- trêmité de décharge de la chambre de combustion.
L'air sortant de la chambre 30 suivant l'axe, comme le montrent les flèches 37, se mélange à l'air des autres ran- gées de trous; le résultat final est un mélange complet et parfait du combustible avec l'air donnant une combustion totale du combustible*
La chambre 30 détermine une zone voisine du gicleur où la vitesse du com- bustible est relativement faible et la turbulence élevée. Cette zone est relati- vement indépendante de la charge du brûleur et elle maintient la combbstion en brassant le nouveau combustible sortant du gicleur. Une fois que le combustible a été enflammé dans cette zone, la combustion ne s'arrête plus quand le débit du combustible et de l'air augmente.
Pour démontrer ce fait, on a brûlé dans une pareille chambre des quantités de combustible variant de 1 à 100 sans éteindre la flamme et avec un rendement élevé.
Cette construction atteint un autre résultat important* L'allumage est ra- pidement amorcé par une étincelle grâce à l'atomisation du combustible entraîné par l'air arrivant en jets à travers la première rangée de trous. Ce mélange d'air et de combustible formant un tore est rapidement enflammé par l'étincelle quel que soit le débit d'air. Pour atteindre cette dernière qualité, l'emplacement des trous et leurs dimensions sont de première importance,
Cette construction améliorée produit le mélange désiré et elle évite la situation dangereuse créée par des jets d'air arrivant derrière la flamme initiale et qui la soufflent entièrement ou partiellement. Si la flamme est soufflée comn- plétèment, la combustion cesse et si elle est soufflée partiellement, il en résul- te une combustion incomplète.
En laissant les rangées de trous à une certaine distance de la tête 17, on obtient l'avantage supplémentaire que les grosses gout- tes de combustible venant du gicleur ne sont pas directement entraînées à travers les trous puisqu'on choisi le gicleur pour diriger même les grosses gouttes en- tre la tête 17 et les trous les plus proches.
Cette stipulation de réserver une chambre de mélange initial dans laquelle l'air n'arrive pas directement par les trous 28 est une caractéristique importan- te de cette invention,, C'est un cul-de-sac dans lequel le "fuel oil" est pulvé-
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-rivé et dans lequel l'air circule on circuits à0 une vitesse relativement faible pour emporter les particules de combustible et les transporter dans le courant d'air principal.
La chose importante est que les trous soient calibrés et espacés pour qu'un tourbillon d'allumage stable fermant à peu près un tore soit formé en marche et qu'un mélange parfait de combustible, d'air et de gaz de combustion soit réalisé avec une perte de charge relativement faible. La dispositicn, l'emplacement, le calibre et le nombre de trous déterminent la qualité et le rendement de la combus- tion aussi bien que la capacité et cela constitue une des principales caractéristi- -ques de cette invention Les trous de chaque rangée sont espacés d'une distance telle que des jets séparés sont formés quand l'air de l'espace annulaire autour de la paroi interne 10 s'écoule à travers ces trous.
L'action d'un jet se mélangeant avec et entraînant le fluide environnant est bien connue et le mélange se fait très rapidement,, Les trous peuvent avoir avantageusement un diamètre de l'ordre de 0,1 du diamètre du cylindre formé par la paroi 10, c'est-à-dire le diamètre de la cham- bre de combustion et ils peuvent aussi avantageusement être espacés sur la circon- férence d'une distance, de centre à centre, de l'ordre de 1/8 à 1/6 de la circonfé- rence de ce cylindre. Les trous peuvent être espacés suivant l'axe d'une distance entre centres de l'ordre de 1 2/3 diamètre des trous ou une longueur de l'ordre de 1/6 du diamètre de la chambre de combustion.
On a trouvé qu'un tel espacement donne le mélange nécessaire et en môme temps évite une longueur exagéré@e de la paroi interne 10. Cn a observé qu'un excès de longueur de la paroi interne 10 provoque une élévation de température de cette paroi.
Pour éviter le dépôt de carbone sur les parois de la chambre de combustionp on fournit le moyen de balayer continuellement les surfaces des parois par une mince lame d'air. A cette fin, on a prévu les fentes 40 dans la paroi 10 entre les rangées de trous 28 auxquelles sont associées des déflecteurs 41 pour diriger l'air passant par les fentes dans une direction axiale le long de la surface inter- ne de la paroi 10. Les fentes et les déflecteurs peuvent avantageusement être for- més en dépoupant des languettes dans la paroi même et en les pliant légèrement vers l'intérieur comme le montre particulièrement la figure 1.
Les fentes 40 sont en nombre suffisant et elles ont une longueur telle qu'elles créent à. la surface interne de la paroi la une enveloppe d'air de volume et d'étendue suffisante pour empêcher la formation de dépôts de carbone sur la parole
Pour empêcher les dépôts de carbone sur la surface interne de la tête 17,
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Pour empêcher les dépôtsde carbone sur la surface interne de la tête 17, on a prévu des ouvertures 42 d'admission d'air dans la tête 17 autour de la paroi 24 et devant ces ouvertures, un déflecteur 43 soudé à l'extrémité intérieure de la paroi 24.
L'air s'écoulant par les ouvertures 42 frappe le déflecteur 43, s'é- tale et s'échappe radialement le long de la surface interne de la tête 17 pour em- pêcher les dépôts de carbone de s'y former,
Pour éviter la formation de dépôts de carbone sur l'extrémité du gicleur, un second déflecteur 44 est placé devant le déflecteur 43 et est muni d'une ouver- ture 45 destinée à diriger des courants d'air sur la face du gicleur. Le déflec- teur 43 est pourvu d'ouvertures 46 pour amener l'air contre le déflecteur 44. Ce- lui-ci est de diamètre moindre que celui du déflecteur 43 et il peut former corps avec lui comme le montre la figure 5. Il sert aussi à diriger l'air sur les sur- faces adjacentes du déflecteur 43 pour y empêcher les dépôts de carbone.
Une série d'ouvertures 47 au bord extrême de la tête 17 amènent des courants d'air sur la partie de la surface de la paroi 10 qui forme la chambre 30, la préservant ainsi de dépôts de carbone.
Avec la disposition précédente, une enveloppe protectrice d'air existe sur la surface interne de la tête 17, de la paroi 10 et du gicleur pour y empêcher la formation de dépôt de carbone. Cette enveloppant relativement mince par rapport au diamètre de la chambre de combustion et elle a peu d'effet sur la température des gaz sortants. Par exemple, les fentes 40 peuvent avoir une profondeur radiale telle que l'enveloppe d'air ait une épaisseur de l'ordre de 1% du diamètre de la chambre de combustion.
Il est avantageux de faire fonctionner une pareille chambre de combustion avec une amenée d'air dans le passage annulaire défini par les parois 10 et 11 qui soit uniformément répartie et que l'air soit calme et sans tourbillons violents Dans l'application à la turbine à gaz, de telle conditions idéales ne sont pas tou- jours remplies. En vue d'améliorer ces conditions, des bandes de métal perforé 12 scnt fixées entre les parois 10 et 11 sur environ les 2/3 de la longueur de la pa- roi 10.
Grâce à la présence de ces bandes pour rectifier le courant d'air dans l'espace annulaire, le fonctionnement est amélioré de façon marquée*, La flamme est notablement plus courte, la capacité est augmentée et les limites de fonctionnement et d'allumage sont élargies En d'acres morts, la fonction des bandes perforées 12 est d'adoucir le flot et de réduire la rotation de l'air dans l'espace annulaire à un degré négligeable.
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Les figgures 6 & '7 illustrent une réalisation de cette invention dans la- quelle l'air, au lieu d'être admis du côté.. de la décharge du brûleur, arrive du côté admission, au voisinage du gicleur., Dans les figures 6 & 7, 50 et 51 indi- quent les parois interne et externe correspondant aux parois le et 11 de la fig.l et 52 indique les tôles d'espacement corresponlant auxbandes d'écartement 12 de la fig.1.
L'entrée d'airest marquée 53 et l'orifice .le décharge 54. Dans cet arran- gement, les parois 50 et 51 se rapprochent l'une de l'autre, de l'extrémité d'ad- mission à celle de décharge, formant une chambre d'air annulaire 55 qui, en coupe longitudinale, a la forme d'un ceint Le gicleur est figure en 56 et la bougie d'allumage en 57. Pour le reste, la disposition peut être la même que celle de la figure 1 et le fonctionnement est identique.
En réalisant cette invention, des moyens adéquats d'injection du combustible autres que celui représenté sur les figures 1 à, 7, peuvent être employés etd'au- tres types de combustibles peuvent être utilisés. Par exemple, on peut brûler du combustible solide, comme le charbon pulvérisé., Dans le cas du combustible solide, tel le charbon pulvérisé, celui-ci peut être injecte à travers l'anneau d'ouvertu- res adjacentes à la chambre de mélange initial et d'allumage. Une telle dispos!- tion est représentée par la figure 8 sur laquelle 60 indique la face interne, 61 la face externe, 62 le conduit d'arrivée d'air et 63 le premier anneau de trous adjacents à la chambre 64 de mélange et d'allumage.
A la hauteur du premier an- neau de trous 63, se trouvent des gicleurs 65 par lesquels le combustible qui peut être pulvérulent est inecté dans la chambre de combustion., Dans le cas présent, deux gicleurs 65 sont représentés, les mêmes sont disposas diamétralement opposés, Pour le reste, la disposition représentée par la figure 8 peut être la même que celle des figures 1 à. 5 inclus et 6 et 7.
Cette invention s'adapte bien aux turbines à gaz, Pour actionner une roue de turbine, plusieurs brûleurs individuels peuvent être disposas sur une circon- férence à la périphérie de la roue de turbine de manière à fournir des gaz sur toute la circonférence de la roué. Une telle disposition est représentée sur la figure 9 dans laquelle 70 montre une série de brûleur disposés en cercle et dont les extrémités de décharge sont réunies dans une boite annulaire 71 de laquelle les gaz peuvent être dirigés par des orifices adéquats vers une roue de turbine.
Un brûleur incorporant cette invention, grâce à sa capacité d'amorcer la combustion avec un débit relativement élevé d'air et un débit de combustible re- lativement faible, est d'une utilisé particulièrement grande dans un dispositif tel que celui représenté à la figure 9. 'Dans de pareils montages, il est impor-
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-tant que l'allumage se fasse 'rapidement dans toutes les chambres de combustion, Au démarrage, il est probable qu'il y aura une petite différence de temps entre les allumages dans les diverses chambres dé combustion, Il en résultera une augmentation du débit d'air du compresseur ou d'une autre source d'air dans les chambres de com- bustion non enflammées et une diminution du débit d'air dans les chambres déjà al- lumées, Donc,
l'allumage doit s'amorcer dans les chambres non encore allumées au moment où le débit d'air est relativement grand et le débit de combustible petit.
Il est important qu'il soit amorcé rapidement pour maintenir la température des gaz sortant des chambres de combustion déjà allumées dans des limites sûres. Grâce à cette invention, l'allumage est obtenu même dans de pareilles conditions. Egalement dans le cas de chambres de combustion multiples, si un arrêt du combustible vient à se produire dans une ou plusieurs d'entrelles, comme par la présence d'un bouchon d'eau, arrêtant de ce fait la combustion et qu'ensuite le combustible recommence à couler, l'allumage dans n'importe laquelle de ces chambres s'effectuera simplement par la bougie, même avec un débit d'air relativement grand.
La figure 10 représente une modification dans laquelle, au lieu d'utiliser plusieurs brûleurs suivant la disposition de la figure 9, on utilise un seul appa- reil en forme d'anneau, Il est représenté dans son application à une roue de tur- bine à gaz, Se rapportant à la figure 10, 80 et 81 sont des parois concentriques espacées qui forment une chambre de combustion annulaire 82 dans laquelle le combus- -tible est amené par un ou plusieurs gicleurs 83, Autour des parois 81'& 82 se trouvent deux parois concentriques espacées 84 et 85 qui forment les chambres dtair annulaires 86 et 87 desquelles l'air sort par les ouvertures 88 dans les parois 80 et 81 pour entrer dans la chambre de combustion. L'air est fourni aux chambres 86 & 87 par un ou plusieurs conduits 89.
En 90 est indiqué un orifice annulaire dis- posé pour décharger les gaz sur les aubes 91 d'une roue de turbine à gaz 92. Sur la figure 10, la disposition est représentée seulement schématiquement. Elle peut incorporer les différents détails de construction illustrés plus spécialement par les figures 1 à 5 incluse bien qu'on ait décrit et représenté plusieurs formes de réalisation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particu- lières données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère restrictif et que, par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions Indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'in- vention.