CH531643A - Chambre de combustion pour turbine à gaz - Google Patents

Description

  Chambre de     combustion    pour     turbine    à     gaz       La présente invention est relative à une chambre de  combustion destinée à équiper une turbine à gaz.  



  On sait qu'actuellement l'amélioration du rendement  thermique constitue l'une des principales conditions limi  tant le développement des turbines à gaz, notamment sur  des véhicules automobiles.  



  La présente invention a pour but de réaliser une  chambre de combustion susceptible d'améliorer notable  ment le rendement     thermique    d'une turbine à gaz, cette  chambre de combustion pouvant s'adapter sur divers  types de générateurs de gaz.  



  La     chambre    de combustion pour turbine à gaz objet  de l'invention, comprend deux enveloppes concentriques  en tôle où l'air admis et les gaz refoulés circulent à  contre-courant, l'enveloppe extérieure étant     fermée    à son  sommet pour recevoir un gicleur central unique entouré  d'un vortex et destiné à injecter un combustible liquide  pulvérisé dans l'enveloppe intérieure qui comporte une  zone renflée puis une paroi munie d'ouvertures d'admis  sion d'air secondaire et de fentes d'air de refroidissement  entourées d'un déflecteur, elle est caractérisée en ce que  le vortex comporte des     aubages    radiaux fixés au fond de  l'enveloppe extérieure, tandis que la zone renflée se  trouve en aval du     brûleur,

      lequel est entouré par une  paroi cylindrique de plus faible diamètre que la zone ren  flée, alors qu'enfin des perforations d'air primaire sont  percées dans la partie divergente et dans la partie cylin  drique de la zone renflée.  



  Suivant un mode de réalisation préféré, on prévoit un  nombre impair de     lumières    d'air secondaire, et un  nombre également impair de fentes pour le mélange de  l'air de refroidissement. Cette disposition permet de ne  pas opposer les flux gazeux sur un même diamètre de  l'enveloppe intérieure en tôle.  



  Pour certaines applications particulières, et notam  ment si l'on désire équiper une turbine à gaz possédant    la structure d'ensemble décrite dans le brevet No 511366  déposé le 25 juin 1969 au nom de la titulaire, société ano  nyme :   Bennes     Marrel     , il est     avantageux    de jumeler  deux chambres de combustion selon l'invention. Ces  deux chambres étant montées côte à côte, parallèlement  l'une à l'autre, on assure leur équilibrage au moyen d'une  canalisation de by-pass reliant les zones renflées des deux  enveloppes intérieures.

   Par ailleurs, on dispose les deux  chambres de combustion dans un même plan transversal  par rapport à l'axe général de la turbine, et on les fait  déboucher dans une chambre commune entourant l'axe  des rotors et d'où les gaz s'écoulent ensuite     axialement    à  travers les     aubages    fixes d'un distributeur qui les dirige  sur la roue haute pression.  



  Dans une forme d'exécution particulière de l'inven  tion, chaque chambre de combustion est équipée d'une  bougie d'allumage escamotable. Cette bougie peut  notamment être placée sur un côté de la zone renflée de  l'enveloppe intérieure. Un ressort de rappel maintient la  bougie sortie quand la turbine est au repos, alors qu'une  pression d'air antagoniste escamote automatiquement  cette bougie dès que la turbine commence à tourner.  Cette pression d'air est préférablement prélevée au  niveau du compresseur.  



  Enfin, pour assurer un allumage plus rapide au  démarrage, et pour favoriser l'amorçage de la pompe à  combustible, on effectue l'alimentation du gicleur en  combustible liquide, à partir d'un clapet commandé par  une électrovanne, ce clapet permettant de diriger, soit  vers le gicleur, soit vers une canalisation de retour, le  combustible qu'il reçoit en permanence d'une canalisa  tion constamment maintenue sous pression. Cette dispo  sition permet notamment d'éviter la présence de tout  matelas d'air en amont du gicleur pendant la phase du  fonctionnement comprise entre le début du lancement de  la machine et l'allumage de la chambre, allumage qui est  provoqué par le déplacement précité du clapet. Celui-ci      conserve sa position dès que la chambre est alimentée  en combustible, et quel que soit le régime de la machine.  



  Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limi  tatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques  de l'invention  La     fig.    1 est une vue éclatée indiquant schématique  ment la position de deux chambres de combustion selon  l'invention sur le corps d'une turbine à gaz de camion.  



  La     fig.    2 est une coupe partielle suivant     II-II    de la       fig.    4.  



  La     fig.    3 est une coupe axiale suivant     III-III    de la       fig.    6 montrant la disposition d'une bougie escamotable.  La     fig.    4 est une coupe transversale de la turbine sui  vant IV-IV de la     fig.    1.  



  La     fig.    5 montre à grande échelle le détail de l'injec  teur illustré sur les     fig.    2 et 3.  



  La     fig.    6 est une coupe partielle suivant VI-VI de la       fig.    3.  



  On a représenté sur la     fig.    1 la partie 1 d'une turbine  à gaz qui, dans le bloc d'ensemble, constitue le généra  teur de gaz. Ce générateur comprend notamment des  organes qui ont été très schématisés sur la     fig.    1, à savoir  une roue 2 de compresseur centrifuge, deux chambres de  combustion 3, et une roue de turbine à haute pression 4.  Le compresseur 2     souffle    de l'air dans les chambres 3  d'où ressortent des gaz chauds et sous pression qui pro  voquent la rotation de la roue haute pression 4. En aval  de la roue 4, la turbine peut comporter divers organes  connus, notamment un ou plusieurs distributeurs et une  roue de turbine à basse pression.  



  Dans le cas d'une turbine à gaz destinée à équiper  un véhicule automobile, il est avantageux d'utiliser la dis  position montrée sur les dessins, c'est-à-dire de monter  parallèlement côte à côte deux chambres de combustion  3 situées dans un même plan transversal par rapport à  la direction 5 définie par l'arbre 6 de la turbine.  



  Chaque chambre de combustion 3 comprend deux  enveloppes concentriques en tôle, à savoir une enveloppe  extérieure 7 et une enveloppe intérieure 8     (fig.    4).  



  Chaque enveloppe extérieure 7 est fixée directement  sur le carter 9 du groupe générateur qui définit autour de  l'axe 6 de la turbine, un collecteur annulaire 10 recevant  l'air soufflé par le compresseur 2.  



  L'enveloppe extérieure 7 est fermée à son sommet par  un fond tronconique 11 sur lequel est fixé un injecteur  de combustible 12. Cet injecteur comprend un gicleur 13  dont il sera question plus loin en détail.  



  L'enveloppe intérieure en tôle 8 entoure par son som  met 14, le gicleur 13 d'injection du combustible. En aval  de ce sommet 14, l'enveloppe 8 comporte un divergent  tronconique 15, puis une zone renflée cylindrique 16, et  un convergent tronconique 17 au-delà duquel elle se pro  longe par un long divergent 18. L'extrémité de ce diver  gent a la forme d'un manchon cylindrique 19 qui assure  le raccordement de la chambre de combustion avec un  collecteur 20 d'où les gaz brûlés sont envoyés concentri  quement autour de l'axe 6, dans un distributeur haute  pression 21.  



  Sur les     fig.    2 et 3, on a représenté schématiquement  l'enveloppe intérieure 8 dont tous les détails apparaissent  seulement sur la     fig.    4.  



  Le sommet 14 de l'enveloppe intérieure 8 comprend  des     aubages    fixes profilés 22 qui sont disposés autour  du gicleur 13, de façon à constituer un vortex pour la  mise en rotation de l'air. Par contre, pour éviter que des    tourbillons ne se forment au moment où l'écoulement  d'air change de direction (flèche 23), des nervures  radiales 24 sont     réparties    autour du sommet 14 et fixées  au fond 11 et à la paroi 7 de l'enveloppe extérieure 3.  



  Immédiatement en aval du vortex 22, la     portion     divergente 13 est percée de deux séries de trous 25 de  petit diamètre. Par exemple si le diamètre total 26 d'une  chambre de combustion 3 est de l'ordre de 130 mil  limètres, on peut percer la zone tronconique 15 de deux  séries groupant chacune douze trous 25 d'un diamètre de  trois millimètres.  



  De même, la zone renflée 16 est percée d'un grand  nombre de petits trous. Toujours pour les mêmes don  nées numériques (diamètre 26 de l'ordre de 130 mil  limètres), la zone renflée 16 peut comporter deux séries  27 groupant chacune trente-deux trous d'un diamètre de  quatre millimètres, placées de part et d'autre d'une série  centrale 28 formée de seize trous d'un diamètre de quatre  millimètres.  



  Par contre, la portion convergente 17 est percée d'un  nombre impair de larges ouvertures dans chacune des  quelles on soude un tronçon tubulaire 29 orienté vers le  haut en direction de l'axe de la chambre 3. Par exemple,  on peut choisir sept lumières ou tubes 29 d'un diamètre  de l'ordre de quatorze millimètres, répartis autour de  l'axe 30 de la chambre.  



  Immédiatement en aval de la zone convergente 17,  on prévoit enfin sur la partie divergente 18, une série de  trous 31 qui peuvent être par exemple au nombre de  vingt pour un diamètre unitaire de trois millimètres.  



  A son extrémité, immédiatement avant le manchon  cylindrique 19, la zone divergente 18 est découpée sui  vant de larges fentes 32 réparties autour de l'axe 30. Ces  fentes 32 sont préférablement en nombre impair, de  façon à ne pas opposer les flux gazeux sur un même dia  mètre. Dans l'exemple numérique déjà cité, ces fentes  peuvent être au nombre de sept et comporter chacune  une largeur 33 d'une vingtaine de millimètres, pour une  hauteur 34 voisine de cinquante millimètres.  



  Bien entendu, les chiffres précédents qui concernent  le nombre et le     dimensionnement    des divers orifices  d'arrivée d'air, n'ont été donnés qu'à titre d'exemples non  limitatifs et ils pourraient être modifiés à volonté.  



  Enfin, autour des fentes 32 de la zone divergente 18,  on place un déflecteur tronconique 35 qui va s'évasant  en direction du fond 11 de la chambre 3, et qui est fixé  sur le collecteur 20 au niveau du manchon cylindrique 19.  



  Pour stabiliser le courant des gaz chauds produits par  les deux chambres de combustion 3, et surtout pour  assurer leur     réallumage    mutuel, on relie les zones  renflées 16 des enveloppes intérieures 8 au moyen d'une  canalisation de by-pass 36 munie en son milieu d'un  soufflet de dilatation 37. Par exemple, si la flamme de  l'une des chambres vient à être soufflée momentanément  lors d'un régime transitoire, le     réallumage    se trouve  réalisé automatiquement à partir de l'autre chambre  restée en service.  



  On a représenté sur la     fig.    5 le détail de l'injecteur 12  d'une chambre de combustion. Cet injecteur comprend  une bobine d'électrovanne 38 susceptible de soulever  un clapet 39. Quand l'électrovanne 38 n'est pas sous  tension, le clapet 39 est en appui sur un siège fixe 40  qu'il obture, empêchant ainsi le gicleur 13 de recevoir le  combustible liquide maintenu sous pression dans une  canalisation d'alimentation 41. Ce combustible liquide  circule alors à travers des     annelures    longitudinales 42      dont est munie la paroi de guidage du clapet -39, et il  s'échappe par une canalisation de retour 43 (flèche 44).  



  Au contraire, si l'on excite la bobine 38, le clapet 39  se soulève et il vient prendre appui par son sommet sur  un siège fixe 45     tandis    qu'il démasque le siège 40. Par  conséquent, la canalisation de retour 43 se trouve bou  chée alors qu'au contraire le gicleur 13 est alimenté par  le combustible de la canalisation 41.  



  On voit que ce dispositif d'injecteur 12 comporte un  clapet 39 qui fonctionne uniquement par tout ou rien,  c'est-à-dire en étant ouvert ou fermé. La régulation du  débit de combustible injecté dans la chambre 3 par le  gicleur 13 s'effectue par les organes de commande et de  régulation non représentés de la turbine.  



  Pour compléter une chambre de combustion 3, on  fixe à son enveloppe extérieure 7 le support 46 d'une  bougie d'allumage escamotable 47. Lorsque celle-ci est  à la position de travail 47a     (fig.    6) elle débouche dans  l'enveloppe interne 8 au niveau de la zone renflée 16.  



  Cette bougie d'allumage comporte à la manière habi  tuelle deux électrodes non représentées entre lesquelles  on peut faire jaillir une série d'étincelles électriques à  haute tension. Dans le cas décrit, la bougie 47 est soli  daire d'un piston 48 qui coulisse à l'intérieur d'un  cylindre du support 46. Ce cylindre se trouve ainsi par  tagé en deux chambres dont l'une contient un ressort  de rappel 49 tendant à repousser la bougie dans la posi  tion 47a, l'autre chambre 50     communique    avec l'inté  rieur de la chambre. En fonctionnement, la pression  régnant dans la chambre de combustion s'exerce sur le  diamètre de la tige 47, et cela suffit à repousser  l'ensemble mobile dans la position escamotée 47b.  



  Au repos, la pression fournie par le compresseur 2  dans la chambre 50 étant nulle, le ressort 49 maintient la  bougie à la position de travail 47a. Dès que la turbine  commence à tourner, la pression dans la chambre de  combustion augmente. Au régime de ralenti de la tur  bine, elle est suffisante pour comprimer le ressort 49 et  escamoter la bougie à la position 47b. Ensuite, la pres  sion dans la chambre de combustion ne cesse  d'augmenter pour atteindre sa limite supérieure quand la  turbine est à pleine charge. Pendant tout ce temps, la  bougie 47 reste escamotée (position 47b).  



  Le fonctionnement d'une chambre de combustion 3  est le suivant  L'air     provenant    du collecteur 10 circule entre les  enveloppes 7 et 8     comme    indiqué par les flèches 51       (fig.    4). Le déflecteur 35 empêche cet air de venir frapper  directement les sept fentes 32.  



  Parvenu au voisinage du fond 11, l'écoulement d'air  change de direction (flèches 23) et il pénètre dans le vor  tex 22 où il est mis en rotation de façon à favoriser la  pulvérisation du combustible liquide assurée par le  gicleur 13. A ce mélange vient s'ajouter à l'intérieur de la  zone renflée 16, un débit d'air primaire qui a pénétré       dans    l'enveloppe interne 8 à travers les séries de petits  trous 25, 27 et 28.  



  Dans la zone où le fuel brûle, les larges ouvertures 29  assurent une rentrée d'air secondaire pour parfaire  l'homogénéité du mélange d'air et de fuel. La rentrée  d'air secondaire (flèches 54) est facilitée par l'orientation  des manchons tubulaires 29.  



  Enfin, la série des petits trous 31 assure une rentrée  d'air additionnelle. .  



  L'air primaire mélangé au fuel au niveau de la zone  renflée 16 et du convergent 17 correspond à la quantité    d'air minima pour brûler complètement le fuel. Les gaz  brûlés cheminent dans la zone divergente 18 (flèches 52)  à contre-courant par rapport à l'air périphérique  (flèches 51). Au niveau des larges fentes 32, les gaz brû  lés reçoivent un important appoint d'air de refroidis  sement auquel ils se trouvent mélangés (flèches 53). La  température du mélange étant ainsi réglée au niveau  désiré, le débit de gaz brûlés est envoyé dans le collec  teur 20 pour actionner la roue haute pression 4 de la  turbine.

Claims (1)

1. REVENDICATION Chambre de combustion pour turbine à gaz, compre nant deux enveloppes concentriques en tôle (7 et 8) où l'air admis et les gaz refoulés circulent à contre-courant, l'enveloppe extérieure (7) étant fermée à son sommet pour recevoir un gicleur central unique (13) entouré d'un vortex (22) et destiné à injecter un combustible liquide pulvérisé dans l'enveloppe intérieure (8) qui comporte une zone renflée (16) puis une paroi munie d'ouvertures d'admission d'air secondaire (29) et de fentes d'air de refroidissement (32) entourées d'un déflecteur (35), caractérisée en ce que le vortex (22) comporte des aubages radiaux fixés au fond (11) de l'enveloppe exté rieure (7), tandis que la zone renflée (16) se trouve en aval du brûleur (13),

   lequel est entouré par une paroi cylindrique (14) de plus faible diamètre que la zone renflée (16), alors qu'enfin des perforations d'air pri maire (25) et (28) sont percées dans la partie divergente (15) et dans la partie cylindrique de la zone renflée (16). SOUS-REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion suivant la revendication, caractérisée en ce que les ouvertures d'air secondaire (29) sont en nombre impair. 2. Chambre de combustion suivant la revendication, caractérisée en ce que des ouvertures (31) sont percées dans la paroi divergente (18) de l'enveloppe intérieure, en aval des ouvertures d'air secondaire (29). 3. Chambre de combustion suivant la revendication, caractérisée en ce que les fentes (32) sont en nombre impair. 4.

   Chambre de combustion suivant la revendication, caractérisée en ce que le déflecteur (35) est tronconique et va en s'évasant en direction du fond (11) de la chambre. S. Chambre de combustion suivant la revendication, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure (7) porte une bougie d'allumage (47) rétractable entre une posi tion d'allumage (47a) où elle dépasse à l'intérieur de la chambre interne (8), et une position éclipsée (47b), la- mise en position de travail (47a) étant obtenue sous la poussée d'un ressort (49) alors qu'au contraire le pas sage à la position rétractée (47b) est obtenue sous l'effet antagoniste de la pression des gaz dans la chambre, agis sant dans une cavité (50) délimitée entre un cylindre fixe (46) solidaire de l'enveloppe extérieure (7),

   et un piston coulissant (48) solidaire de la partie rétractable de la bougie (47). 6. Chambre de combustion suivant la revendication, caractérisée en ce que l'injecteur de combustible (12) est alimenté par un système tout ou rien. 7. Chambre de combustion suivant la sous-revendi- cation 6, caractérisée en ce que l'injecteur (13) comprend une bobine d'électrovanne (38) susceptible de soulever un clapet (39) monté dans l'axe du gicleur et en amont, ce clapet (39) étant en appui sur un siège fixe (40) qu'il obture lorsque l'électrovanne (38) n'est pas sous ten sion, si bien que le combustible liquide maintenu sous pression dans une canalisation d'alimentation (41) s'échappe par une canalisation de retour (43)

   sans tra verser le siège (40) pour parvenir au brûleur (13), alors qu'au contraire lorsque la bobine (38) est excitée, le clapet (39) démasque le siège (40) du gicleur (13) alors que par son extrémité opposée il obture un siège fixe (45) s'ouvrant sur la canalisation de retour (43), si bien que le débit provenant de la canalisation (41) est alors envoyé directement dans le gicleur (13).