FR3066553A1 - CENTRAL INJECTOR WITH RADIAL TOURBILLONNEURS - Google Patents
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Abstract
Le domaine du dispositif de la présente invention est celui des systèmes d'injection de carburant des chambres de combustion des turbomachines. Il répond plus spécialement à la problématique des « chambres de combustion annulaires coudées à écoulement direct » qui sont particulières par le fait que l'alimentation est centrale et que l'orientation de l'éjection du carburant qui y pénètre est radiale. L'injection de carburant pour ce genre de chambre de combustion se fait généralement avec un anneau tournant à grande vitesse qui utilise l'énergie cinétique pour projeter le flux de carburant pulvérisé dans la virole d'entrée de la chambre. Le dispositif, selon l'invention, répond à la question de réaliser un système d'injection centrale avec un anneau fixe, qui soit au moins aussi efficace qu'avec un anneau tournant et qui permette d'obtenir une pulvérisation de grande qualité, avec une faible pression d'alimentation du carburant, associée à l'obtention d'un très bon effet de mélange air/carburant. Le dispositif selon l'invention introduit l'installation autour de l'anneau fixe de tourbillonneurs radiaux qui par leur géométrie particulière créent des nappes d'air comprimés qui se font face et qui dans un mouvement hélico-centrifuge en rotation contraire, emprisonnent et cisaillent les gouttelettes de carburant pour les brumiser et les mélanger à l'air primaire de combustion aussi efficacement que le ferait le dispositif tournant.The field of the device of the present invention is that of the fuel injection systems of the combustion chambers of the turbomachines. It responds more specifically to the problem of "direct bent annular combustion chambers" which are particular in that the supply is central and the orientation of the ejection of the fuel that enters is radial. The fuel injection for this kind of combustion chamber is generally done with a high speed rotating ring which uses kinetic energy to project the flow of sprayed fuel into the chamber inlet ferrule. The device, according to the invention, answers the question of producing a central injection system with a fixed ring, which is at least as effective as with a rotating ring and which makes it possible to obtain a high quality spray, with a low fuel supply pressure, associated with obtaining a very good air / fuel mixture effect. The device according to the invention introduces the installation around the fixed ring of radial swirlers which, by their particular geometry, create compressed air sheets which face each other and which in a roto-centrifugal movement in opposite rotation, trap and shear the fuel droplets to mist them and mix them with the primary combustion air as effectively as would the rotating device.
Description
Injecteur Central à Tourbillonneurs Radiaux.Central injector with radial swirls.
Le domaine du dispositif de la présente invention est celui des systèmes d'injection de carburant des chambres de combustion des turbomachines.The field of the device of the present invention is that of the fuel injection systems of the combustion chambers of turbomachinery.
Le dispositif selon l'invention a été imaginé pour répondre plus spécialement à la problématique des « chambres de combustion annulaires coudées à écoulement direct » (1) qui demandent une injection centrale, généralement réalisée par un anneau d'injection (5), tournant à grande vitesse qui utilise l'effet centrifuge pour pulvériser le fluide carburant (7), radialement à l'axe de l'écoulement de la chambre, pour le mélanger à l'air primaire nécessaire à la réaction de combustion dans la virole d'entrée (4) de la chambre de combustion .The device according to the invention has been devised to respond more specifically to the problem of “bent annular combustion chambers with direct flow” (1) which require central injection, generally carried out by an injection ring (5), rotating at high speed which uses the centrifugal effect to spray the fuel fluid (7), radially to the axis of the flow of the chamber, to mix it with the primary air necessary for the combustion reaction in the inlet shell (4) of the combustion chamber.
Les « chambres annulaires coudées à écoulement direct » (1) sont particulières par le fait que l'injection est centrale et que l'orientation de l'éjection des flux qui y pénètre est radiale. Le système d'injection doit donc projeter le carburant dans l'axe de la virole d'entrée (4) de la chambre de combustion, qui est normal à l'axe principal de propagation des flux, et qui se coude par la suite pour diriger les flux vers une virole de sortie axiale (8)qui assure l'éjection des gaz chaud (22).The “angled direct flow annular chambers” (1) are particular in that the injection is central and that the orientation of the ejection of the flows entering it is radial. The injection system must therefore project the fuel into the axis of the inlet shell (4) of the combustion chamber, which is normal to the main axis of propagation of the flows, and which subsequently bends to direct the flow towards an axial outlet ferrule (8) which ejects the hot gases (22).
L'utilisation d'un anneau d'injection centrifuge (5), tournant à haute vitesse, multi-gicleurs (6), est donc bien adaptée comme système d'injection à la présentation d'une telle chambre.The use of a centrifugal injection ring (5), rotating at high speed, multi-nozzles (6), is therefore well suited as an injection system for the presentation of such a chamber.
Ce principe de centrifugation est bien connu et est largement utilisé, il est très efficace mais présente néanmoins diverses difficultés de réalisation et pose aussi des problèmes de maintenance. C'est un principe qui fonctionne très bien mais qui est toujours délicat à mettre au point et qui est sensible au vieillissement comme toutes les pièces tour3066553This centrifugation principle is well known and is widely used, it is very effective but nevertheless presents various difficulties of production and also poses maintenance problems. It is a principle that works very well but is always difficult to develop and which is sensitive to aging like all tour parts.
-2nantes soumises à des efforts centrifuges dans des conditions thermiques exigeantes.-2nantes subjected to centrifugal forces under demanding thermal conditions.
Pour différentes raisons, dans certaines applications, l'utilisation d'une « chambre de combustion annulaire coudée à écoulement direct » (1) peut être jugée nécessaire sans qu'il soit possible de réaliser une injection centrifuge avec un anneau tournant.For various reasons, in certain applications, the use of an “angled annular combustion chamber with direct flow” (1) may be considered necessary without it being possible to carry out a centrifugal injection with a rotating ring.
La question s'est donc posée de réaliser un dispositif d'injection centrale avec un anneau fixe, qui soit au moins aussi efficace et qui permette d'obtenir une pulvérisation de grande qualité, avec une faible pression d'alimentation du carburant, associée à l'obtention d'un très bon effet de mélange air/carburant.The question therefore arose of making a central injection device with a fixed ring, which is at least as effective and which makes it possible to obtain a high quality spraying, with a low fuel supply pressure, associated with obtaining a very good air / fuel mixture effect.
En effet, un des intérêts de l'injection centrifuge avec un anneau tournant, est celui de soulager le besoin en pression d'alimentation en sortie de la pompe carburant. C'est l'effet de centrifugation très violent qui assure une parfaite pulvérisation mécanique du flux de carburant à travers les orifices des gicleurs (6). Cette caractéristique simplifie le circuit carburant (un seul point d'entrée) et demande peu de pression d'alimentation avec toutes les conséquences bénéfiques qui en résulte sur les composants de ce circuit. De plus, l'éjection de la pulvérisation présente une vitesse de propagation radiale faible, ce qui maintient plus longtemps les particules de carburant et de leur mélange dans la virole d'entrée (4), avec pour conséquence des conditions très efficaces pour l'établissement et la réalisation de la réaction de combustion.One of the interests of centrifugal injection with a rotating ring is that of relieving the need for supply pressure at the outlet of the fuel pump. It is the very violent centrifugation effect which ensures perfect mechanical spraying of the fuel flow through the nozzles orifices (6). This characteristic simplifies the fuel circuit (a single entry point) and requires little supply pressure with all the resulting beneficial consequences on the components of this circuit. In addition, the spray ejection has a low radial propagation speed, which keeps the fuel particles and their mixture in the inlet shell (4) longer, resulting in very effective conditions for the establishing and carrying out the combustion reaction.
L'enjeu de remplacer le dispositif traditionnel tournant par un dispositif fixe aussi efficace est donc loin d'être simple et c'est à cet enjeu que répond le dispositif selon 1'invention.The challenge of replacing the traditional rotating device with an equally effective fixed device is therefore far from simple and it is this challenge that the device according to the invention responds to.
Pour comprendre le dispositif selon l'invention, il faut observer que la formule moderne particulièrement efficaceTo understand the device according to the invention, it should be observed that the particularly effective modern formula
-3retenue pour les systèmes d'injection des chambres annulaires classiques, ou à retour, ainsi que pour les tubes à flammes à écoulement direct (non coudés), est celle d'utiliser pour chaque injecteur et autour du jet des gicleurs l'effet aérodynamique de tourbillonneurs ou « Swirler ».-3 restrained for the injection systems of the classic annular chambers, or with return, as well as for the tubes with flames with direct flow (not bent), is that to use for each injector and around the jet of the jets the aerodynamic effect of swirlers or "Swirler".
Le principe général des tourbillonneurs axiaux (T-AX)ou « Swirler » est d'utiliser une partie de l'air comprimé (2) qui circule autour de la chambre de combustion, à l'intérieur du carter de la chambre (3), avant d'y rentrer, pour créer autour du jet du gicleur de carburant (6), qui est projeté dans la chambre de combustion, un ou plusieurs anneaux de flux d'air comprimé (9), en rotation contraires, dirigés dans l'axe de projection et autour du jet de carburant, d'une manière hélico-axiale, provoquant un travail de cisaillement et un phénomène de turbulence.The general principle of axial swirlers (T-AX) or "Swirler" is to use a part of the compressed air (2) which circulates around the combustion chamber, inside the casing of the chamber (3) , before entering it, to create around the jet of the fuel nozzle (6), which is projected into the combustion chamber, one or more rings of compressed air flow (9), in opposite rotation, directed into the 'axis of projection and around the fuel jet, in a helical-axial manner, causing shearing work and a phenomenon of turbulence.
Le travail de cisaillement, due à la violence de la giration contraire des flux d'air et du carburant, a pour effet de casser les gouttes de carburant et de les ramener ainsi à des valeurs de quelques dizaines microns (brouillard), ce qui est absolument nécessaire pour aboutir à un bon mélange air carburant qui permet d'obtenir une parfaite combustion. Le phénomène de turbulence a justement pour effet, en complément, d'assurer le plus possible le mélange diphasique de l'air et du carburant pour tendre à aboutir à un mélange idéal stoechiométrique.The shearing work, due to the violence of the contrary gyration of the air and fuel flows, has the effect of breaking the drops of fuel and thus bringing them back to values of a few tens of microns (fog), which is absolutely necessary to achieve a good air fuel mixture which allows perfect combustion. The phenomenon of turbulence has the additional effect of ensuring as much as possible the two-phase mixture of air and fuel to tend to result in an ideal stoichiometric mixture.
C'est ce que l'on pourrait obtenir mécaniquement sous l'effet d'une forte pression d'injection du carburant à travers les gicleurs, sous l'action d'une pompe puissante ou par l'action de la centrifugation dans un anneau tournant, et que l'on obtient ainsi plus simplement en utilisant un principe aérodynamique.This is what could be obtained mechanically under the effect of a high fuel injection pressure through the nozzles, under the action of a powerful pump or by the action of centrifugation in a ring. turning, and which is thus obtained more simply by using an aerodynamic principle.
De plus, la giration qui favorise le mélange air/carburant provoque un ralentissement de la vitesse de propagation axiale du carburant pulvérisé et de son mélange,In addition, the gyration which favors the air / fuel mixture causes a slowing down of the speed of axial propagation of the pulverized fuel and of its mixture,
-4ce qui va dans le sens recherché de maintenir le plus longtemps possible le mélange dans la zone de création de la flamme, pour donner le temps nécessaire à l'établissement et la réalisation de la réaction de combustion (qui est une réaction chimique qui suivant les carburants demande plus ou moins de temps pour se réaliser pleinement).-4 which goes in the desired direction to maintain the mixture as long as possible in the zone of creation of the flame, to give the time necessary for the establishment and the realization of the combustion reaction (which is a chemical reaction which follows fuels require more or less time to be fully realized).
a) Principe de fonctionnement et description du dispositif selon l'invention.a) Operating principle and description of the device according to the invention.
Le principe de fonctionnement que l'on vient de décrire et qui correspond à la présentation de l'application d'injecteurs axiaux (T-AX), ne peut pas répondre à la problématique des « chambres annulaires coudées à écoulement direct » (1) qui exigent des injecteurs radiaux et que nous voulons garder fixes.The operating principle which we have just described and which corresponds to the presentation of the application of axial injectors (T-AX), cannot respond to the problem of “bent annular chambers with direct flow” (1) which require radial injectors and which we want to keep fixed.
L'idée de principe sur laquelle s'appuie le dispositif d'injection centrale à tourbillonneurs radiaux (T-RA), objet de la présente invention, et de chercher à réaliser le cisaillement et à faire le mélange des fluides par effet aérodynamique, non plus d'une manière hélico-axiale, mais d'une manière hélico-centrifuge.The idea of principle on which is based the central injection device with radial swirlers (T-RA), object of the present invention, and to seek to achieve shearing and to mix fluids by aerodynamic effect, not more in a helical-axial manner, but in a helico-centrifugal manner.
Il s'agit de faire travailler les flux non plus dans l'axe de projection des gicleurs mais dans des plans parallèles au plan radial médian de l'anneau de distribution de carburant (5) qui est fixe.It is a question of making the flows work no longer in the axis of projection of the nozzles but in planes parallel to the median radial plane of the fuel distribution ring (5) which is fixed.
Pour ce faire, on utilise une partie de l'air comprimé (2) qui circule, à l'intérieur du carter de la chambre (3), autour de la chambre de combustion (1) avant d'y rentrer, pour créer, de part et d'autre de l'anneau de distribution de carburant (5), dans des plans parallèles au plan médian de projection des gicleurs, deux nappes de flux d'air comprimé (10) .To do this, we use part of the compressed air (2) which circulates inside the chamber casing (3) around the combustion chamber (1) before entering it, to create, on either side of the fuel distribution ring (5), in planes parallel to the median plane of projection of the nozzles, two layers of compressed air flow (10).
-5Ces nappes sont guidées par des disques (17) (18), elles sont mises en giration par les grilles des aubes des anneaux de distribution (13) (14) selon leur orientation, au moment du passage de l'air comprimé (2) dans ces anneaux, en prenant un mouvement hélico-centrifuge mais opposée en sens contraires, et dont la direction est normale à l'axe de pulvérisation des jets de carburant, provocant par friction un travail de cisaillement des jets de carburants issus des gicleurs (6), et un phénomène de turbulence, dans la virole d'entrée (4) de la chambre de combustion.These plies are guided by discs (17) (18), they are rotated by the grids of the blades of the distribution rings (13) (14) according to their orientation, at the time of the passage of the compressed air (2 ) in these rings, by taking a helico-centrifugal movement but opposite in opposite directions, and whose direction is normal to the axis of spraying of the fuel jets, causing by friction a work of shearing of the jets of fuels from the jets ( 6), and a turbulence phenomenon, in the inlet shell (4) of the combustion chamber.
Le mouvement hélico-centrifuge du flux d'air comprimé qui est créé par les grilles d'aubes (13) (14) qui équipent les anneaux aérodynamiques (11) (12), ralentit la vitesse de propagation des flux dans la virole d'entrée (4) de la chambre de combustion, ce qui va dans le sens recherché de maintenir le plus longtemps possible le mélange dans la zone de création de la flamme, pour donner le temps nécessaire à l'établissement et la réalisation de la réaction de combustion .The helico-centrifugal movement of the compressed air flow which is created by the grids of blades (13) (14) which equip the aerodynamic rings (11) (12), slows down the speed of propagation of the flows in the shell of inlet (4) of the combustion chamber, which goes in the desired direction of maintaining the mixture as long as possible in the zone of creation of the flame, to give the time necessary for the establishment and the carrying out of the reaction of combustion.
Afin de parvenir à créer un mélange le plus proche des conditions stœchiométrique, on s'attachera à profiter du dispositif et de faire en sorte que le débit masse d'air qui se présente à l'entrée des tourbillonneurs corresponde à, au moins, l'air primaire nécessaire à la combustion. Pour mémoire, dans le cas de carburants tel que le kérosène, le taux moyen est de l'ordre de 15 gr d'air pour lgr de carburant. En règle générale, l'air primaire représente environ 20% de l'air total apporté dans la chambre.In order to manage to create a mixture closest to the stoichiometric conditions, we will endeavor to take advantage of the device and to ensure that the mass air flow which is present at the entry of the vortex machines corresponds to, at least, the primary air required for combustion. For the record, in the case of fuels such as kerosene, the average rate is of the order of 15 gr of air per lgr of fuel. As a general rule, primary air represents around 20% of the total air supplied to the room.
Le dispositif d'injection central à tourbillonneurs radiaux, objet de la présente invention, se compose, d'un arbre principal creux (16) fixé au carter de la chambre de combustion (3) à l'arrière et dans l'axe de la chambre de combustion, d'un anneau de distribution de carburant (5) placé à son extrémité et de deux tourbillonneurs radiaux (15)The central injection device with radial swirlers, object of the present invention, consists of a hollow main shaft (16) fixed to the combustion chamber housing (3) at the rear and in the axis of the combustion chamber, a fuel distribution ring (5) placed at its end and two radial swirlers (15)
-6placés de part et d'autre de l'anneau de distribution en symétrie, en amont et en aval.-6placed on either side of the distribution ring in symmetry, upstream and downstream.
L'arbre (16) qui sert de fixation générale au dispositif, est creux et constitue le canal d'entrée qui conduit le carburant qui y circule (7), sous l'effet d'une mise en pression de la pompe du circuit carburant, vers l'anneau qui distribue radialement le flux de carburant (5) à travers des canaux disposés en étoile, chacun débouchant, par un perçage calibré ou un par un gicleur rapporté (6), dans la virole d'entrée (4) de la chambre de combustion.The shaft (16) which serves as general attachment to the device, is hollow and constitutes the inlet channel which conducts the fuel which circulates therein (7), under the effect of a pressurization of the fuel circuit pump. , towards the ring which radially distributes the fuel flow (5) through channels arranged in a star, each opening, by a calibrated bore or one by an attached nozzle (6), in the inlet ferrule (4) of the combustion chamber.
Le nombre de perçages ou de gicleurs (6), et la dimension des diamètres des orifices qui conditionnent le débit pour une pression d'alimentation donnée, dépendent de l'application et des besoins en carburant de la turbomachine.The number of holes or nozzles (6), and the size of the diameters of the orifices which condition the flow rate for a given supply pressure, depend on the application and on the fuel requirements of the turbomachine.
Dans un fonctionnement continu normal, tous les orifices calibrés de la même manière, projettent sous l'effet de la pression donnée au fluide, une quantité égale de carburant.In normal continuous operation, all the orifices calibrated in the same way, project under the effect of the pressure given to the fluid, an equal amount of fuel.
L'alimentation en carburant est centrale (7) et unique et dans les applications classiques, il circule des carburants fluides mais dans d'autres applications ce peuvent être des gaz combustibles.The fuel supply is central (7) and unique and in conventional applications, it circulates fluid fuels but in other applications it can be combustible gases.
Pour parvenir à créer des flux en nappes helicocentrifuge et non plus des flux en anneau hélico-axiaux, on utilise deux tourbilloneurs radiaux (15) qui sont placés de part et d'autre de l'anneau de distribution du carburant (5) et en symétrie, chaque tourbillonneur étant composé à sa base d'un anneau interne (11) et d'un anneau externe (12) concentriques, chaque anneau comportant une couronne d'aubes (13) (14), réparties régulièrement sur la circonférence des anneaux, orientées en sens contraire et constituant deux veines radiales équipées de deux grilles d'aubes. Les orientations des aubes provoquent la mise en giration du flux d'air qui traverse les anneaux.To achieve creating helicocentrifugal sheet flows and no longer helical-axial ring flows, two radial swirlers (15) are used which are placed on either side of the fuel distribution ring (5) and symmetry, each swirl being composed at its base of an inner ring (11) and an outer ring (12) concentric, each ring comprising a crown of blades (13) (14), distributed regularly over the circumference of the rings , oriented in opposite directions and constituting two radial veins equipped with two grids of blades. The orientations of the blades cause the air flow passing through the rings to turn.
-7Pour chaque ensemble, on dispose entre l'anneau interne et l'anneau externe un disque courbé (17) qui constitue une paroi intermédiaire qui prolonge le guidage de la veine de l'anneau interne d'une longueur au moins deux fois supérieure à la hauteur de la veine de l'anneau aérodynamique. De plus, en périphérie de l'anneau externe on dispose un autre disque courbé de dimension semblable au disque intermédiaire qui constitue une paroi externe (18) .-7For each set, there is between the inner ring and the outer ring a curved disc (17) which constitutes an intermediate wall which extends the guiding of the vein of the inner ring by a length at least twice greater than the height of the aerodynamic ring vein. In addition, at the periphery of the outer ring there is another curved disc of a size similar to the intermediate disc which constitutes an outer wall (18).
Lorsqu'on accole deux tourbillonneurs radiaux (15) de part et d'autre de l'anneau de distribution de carburant (5) et en symétrie, les deux disques courbés intermédiaires (17) symétriques, créent un veine centrale commune qui guide les flux issus des anneaux aérodynamiques internes symétriques et les entraines à converger vers le plan médian d'éjection des gicleurs.When two radial swirlers (15) are joined on either side of the fuel distribution ring (5) and in symmetry, the two symmetrical curved intermediate discs (17) create a common central vein which guides the flows from the symmetrical internal aerodynamic rings and the driving forces to converge towards the median plane of ejection of the nozzles.
Les flux issus des anneaux aérodynamiques internes sont mis en giration (swirl) par les couronnes d'aubes orientées d'une manière contraire, ce qui provoque la création de deux nappes d'air comprimé, progressant, face à face, chacune le long du disque intermédiaire qui leur est associé (17), d'une manière hélico-centrifuge, et qui du fait de la convergence, les deux nappes guidées par les disques coudés rentrent en friction violente dans le plan médian radial de l'anneau de distribution de carburant. Les flux de carburant des gicleurs qui sont pulvérisés dans ce plan médian (gouttelettes grossières d'un diamètre de plus de 5000 pm), sont emprisonnés et cisaillés par les effets aérodynamiques des deux nappes hélico-centrifuges qui se rencontrent et sont transformés en brume (la brume est un spray dans lequel 99% du carburant émis est transformé en gouttelettes d'un diamètre inférieur à 1000 pm).The flows from the internal aerodynamic rings are turned (swirl) by the crowns of vanes oriented in a contrary manner, which causes the creation of two layers of compressed air, progressing, face to face, each along the intermediate disc associated with them (17), in a helico-centrifugal manner, and which due to the convergence, the two plies guided by the bent discs come into violent friction in the radial median plane of the distribution ring of fuel. The fuel flows from the nozzles which are sprayed into this median plane (coarse droplets with a diameter of more than 5000 μm), are trapped and sheared by the aerodynamic effects of the two helico-centrifugal layers which meet and are transformed into mist ( the mist is a spray in which 99% of the emitted fuel is transformed into droplets with a diameter of less than 1000 μm).
De la même manière, les flux d'air comprimé, issus des anneaux aérodynamiques externes (12) sont mis en giration (swirl) par les couronnes d'aubes orientées (14) qui provoLikewise, the compressed air flows from the external aerodynamic rings (12) are turned (swirl) by the oriented vane crowns (14) which provo
-8quent deux nappes d'air progressant entre le disque intermédiaire (17) et le disque externe (18) d'une manière hélicocentrifuge et qui viennent participer, en débouchant dans la virole d'entrée de la chambre de combustion (4), au complément de l'effet de friction violent ce qui entraine les turbulences nécessaires pour obtenir une très bon mélange diphasique air/carburant. On s'attachera à ce que le sens de giration du flux des anneaux externes soit le contraire de celui des anneaux internes.-8quence two layers of air progressing between the intermediate disc (17) and the external disc (18) in a helico-centrifugal manner and which come to participate, by opening into the inlet shell of the combustion chamber (4), complement the violent friction effect which causes the turbulence necessary to obtain a very good two-phase air / fuel mixture. We will try to ensure that the direction of gyration of the flow of the external rings is the opposite of that of the internal rings.
De plus on s'attachera à ce que la vitesse de propagation radiale des nappes centrales soit la plus faible et donc que l'angle de giration des aubes (13) des anneaux aérodynamiques internes soit plus fermé que celui des aubes (14) des anneaux aérodynamiques externes. Généralement l'angle de giration des aubes (13) des anneaux internes sera de l'ordre de 50° à 60° par rapport à l'axe de propagation radiale, alors que celui des aubes (14) des anneaux externes sera de l'ordre de 40° à 50°.In addition, it will be ensured that the radial propagation speed of the central plies is the lowest and therefore that the angle of gyration of the blades (13) of the internal aerodynamic rings is more closed than that of the blades (14) of the rings. external aerodynamics. Generally the angle of gyration of the blades (13) of the internal rings will be of the order of 50 ° to 60 ° relative to the axis of radial propagation, while that of the blades (14) of the external rings will be of the order from 40 ° to 50 °.
Enfin, on répartira en proportion le débit masse d'air comprimé qui passe par les anneaux aérodynamiques internes et externes, en établissant que la surface de passage des deux anneaux internes (11) et externes (12) permettent le passage d'au moins 15% de la masse d'air comprimé (2) totale qui circule autour de la chambre de combustion (1) avant d'y rentrer et en disposant que la surface de passage des deux anneau internes (11) permette de laisser passer environ les 2/3 de ces 15%.Finally, the mass flow of compressed air passing through the internal and external aerodynamic rings will be distributed in proportion, by establishing that the passage surface of the two internal (11) and external (12) rings allow the passage of at least 15 % of the total mass of compressed air (2) which circulates around the combustion chamber (1) before entering it and providing that the passage surface of the two internal rings (11) allows about 2 to pass / 3 of this 15%.
Le dispositif selon l'invention répond donc bien à l'enjeu que l'on s'est fixé qui est de remplacer le dispositif traditionnel tournant par un dispositif fixe aussi effi cace .The device according to the invention therefore responds well to the challenge that has been set, which is to replace the traditional rotating device with a fixed device that is as effective.
-9b) Intérêts et Conséquences.-9b) Interests and Consequences.
Outre la réalisation de l'objectif que l'on s'est donné qui permet de remplacer un dispositif tournant complexe par un ensemble fixe, les intérêts du dispositif selon l'invention sont nombreux.In addition to achieving the objective that has been set which allows a complex rotating device to be replaced by a fixed assembly, the advantages of the device according to the invention are numerous.
La fabrication d'un tel dispositif utilisera des techniques traditionnelles d'usinage et de moulages à partir de matériaux habituellement mis en œuvre dans les chambres de combustion, comme des Inconel, Hastelloy ou divers aciers inoxydables, sa fabricabilité est abordable ce qui constitue un premier intérêt. Elle pourra utiliser les méthodes modernes d'impression additive.The manufacture of such a device will use traditional machining and molding techniques from materials usually used in combustion chambers, such as Inconel, Hastelloy or various stainless steels, its manufacturability is affordable which constitutes a first interest. It will be able to use modern additive printing methods.
Un autre intérêt du dispositif selon l'invention est que le fluide de carburant liquide qui alimente le dispositif par le canal central (7) peut être de différentes natures sans grosses modifications et peut être éventuellement remplacé par un gaz combustible, dans ce cas, les modifications porteront sur le nombre, la dimension, la forme des gicleurs, mais aussi sur les angles de giration des aubes des anneaux internes (13) et externes (14) qui devront être plus fermés (de l'ordre de 15% de plus que dans les applications de carburant liquides) de telle sorte à ralentir encore plus la vitesse de propagation radiale de la combustion dans la virole d'entrée (4) car en général la réaction chimique, dans le cas des gaz, demande plus de temps pour s'établir complètement et nécessite souvent d'allonger la chambre si on ne ralentit pas la propagation des flux.Another advantage of the device according to the invention is that the liquid fuel fluid which feeds the device through the central channel (7) can be of different types without major modifications and can optionally be replaced by a combustible gas, in this case, the modifications will relate to the number, the dimension, the shape of the sprinklers, but also on the angles of gyration of the blades of the internal rings (13) and external (14) which will have to be more closed (of the order of 15% more than in liquid fuel applications) so as to further slow down the speed of the radial propagation of combustion in the inlet shell (4) because in general the chemical reaction, in the case of gases, requires more time for s '' Establish completely and often requires lengthening the room if the propagation of flows is not slowed down.
Un autre intérêt du dispositif selon l'invention est de pouvoir organiser l'architecture d'une turbomachine avec une chambre où il n'y a qu'une seule entrée de carburant et surtout qui peut s'intégrer à l'arrière de la turbomachine. L'architecture qui en résulte dans certain cas est très simple et les conséquences tant dans le prix de revient deAnother advantage of the device according to the invention is to be able to organize the architecture of a turbomachine with a chamber where there is only one fuel inlet and above all which can be integrated into the rear of the turbomachine . The architecture that results in some cases is very simple and the consequences both in the cost price of
-ΙΟΙ'ensemble que dans la facilité de fabrication et de maintenance sont d'un très haut intérêt, sans oublier les gains spectaculaires sur la masse générale et surtout la compacité que l'on peut obtenir.-ΙΟΙ'all that in the ease of manufacture and maintenance are of very high interest, without forgetting the spectacular gains on the general mass and especially the compactness that can be obtained.
c) Résolution de la problématique du circuit d'allumage par une modification du dispositif selon l'invention.c) Solving the problem of the ignition circuit by modifying the device according to the invention.
Le problème de l'allumage de la chambre de combustion est toujours un sujet délicat et trouver une méthode pour le résoudre simplement est essentiel.The problem of lighting the combustion chamber is always a delicate subject and finding a method to solve it simply is essential.
Dans le dispositif selon l'invention, le fait de disposer une couronne de plusieurs gicleurs (6) intégrés dans un anneau (5) et alimentés par un canal central (7) rend impossible le fait d'apporter à faible pression, peu de carburant. En effet si il y a peu de pression centrale dans le canal, ce qui se produit quand on débute l'injection dans la phase d'allumage (peu de débit nécessaire), et si il y a beaucoup de gicleurs à alimenter, le delta de pression à la sortie de chaque gicleur va être très faible et le jet de carburant en sortie sera un écoulement sans forme qui aura du mal à se pulvériser donc à s'enflammer. En règle générale, il faut au moins 0.2/0.25 bars de delta P pour obtenir en sortie d'un gicleur une projection de carburant sous forme d'un bulbe bien formé qui est le signe que l'on peut espérer allumer une flamme avec la technique des tourbillonneurs aérodynamique.In the device according to the invention, the fact of having a ring of several nozzles (6) integrated in a ring (5) and fed by a central channel (7) makes it impossible to bring at low pressure, little fuel . In fact if there is little central pressure in the channel, which occurs when the injection is started in the ignition phase (little flow required), and if there are many nozzles to supply, the delta the pressure at the outlet of each nozzle will be very low and the jet of fuel at the outlet will be a formless flow which will be difficult to pulverize therefore to ignite. As a general rule, at least 0.2 / 0.25 bars of delta P are required to obtain a projection of fuel at the outlet of a nozzle in the form of a well-formed bulb, which is a sign that one can hope to light a flame with the aerodynamic swirl technique.
Par comparaisons, si la technique retenue était purement mécanique, ces pressions seraient très insuffisant pour pouvoir imaginer créer une flamme, il faudrait monter au minimum à 1.3 / 1.5 bars de delta P, donc pour un même orifice : beaucoup de débit, si on utilisait la technique des cannes de pré-vaporisation, on pourrait descendre à 0.8/0.7 bars de delta P, mais avec la technique des tourbillonneurs, cela peut fonctionner à 0.25/0.3 bars de delta P.By comparison, if the technique used was purely mechanical, these pressures would be very insufficient to be able to imagine creating a flame, it would be necessary to go up to a minimum of 1.3 / 1.5 bars of delta P, therefore for the same orifice: a lot of flow, if we used the technique of the pre-vaporization rods, we could go down to 0.8 / 0.7 bars of delta P, but with the technique of swirlers, this can work at 0.25 / 0.3 bars of delta P.
-11C'est ce qui rend le principe général très intéressant car cela permet d'envisager de travailler au régime ralenti d'une turbomachine avec tous les injecteurs alimentés, à faible pression (ordre de 0.5 bars de delta P) et en conséquence, au régime maximum de la turbomachine, la pression générale sera beaucoup plus faible que si on avait dû établir le régime ralenti à 1.8/2 bars de delta P (soit 4 à 6 fois plus faible).-11 This is what makes the general principle very interesting because it makes it possible to consider working at the idle speed of a turbomachine with all the injectors powered, at low pressure (around 0.5 bars of delta P) and consequently, at maximum speed of the turbomachine, the general pressure will be much lower than if the idle speed had to be established at 1.8 / 2 bars of delta P (ie 4 to 6 times lower).
Pour résoudre ce problème on crée généralement un circuit de démarrage et un circuit général. Le circuit de démarrage alimente un injecteur spécial avec lequel à faible débit on a une bonne pulvérisation ce qui permet de l'enflammer et d'établir une torche que l'on peut amplifier jusqu'à un certain niveau de débit. Dès ce niveau de débit est atteint, on ouvre le circuit général qui alimente l'ensemble des injecteurs, ce qui provoque une chute de la pression générale (mais qui doit rester au-dessus du seuil élémentaire de fonctionnement des gicleurs) et entraîne la propagation de la flamme à tous les injecteurs : c'est l'allumage de la chambre qui doit être en phase avec l'augmentation progressive du débit masse et de la pression de l'air comprimé (2) apporté à la chambre de combustion. En règle générale, le circuit de démarrage est refermé, dès lors que la propagation de la flamme à tous les injecteurs est établie.To solve this problem, we generally create a starting circuit and a general circuit. The starting circuit feeds a special injector with which at a low flow rate there is good spraying, which makes it possible to ignite it and establish a torch which can be amplified up to a certain level of flow rate. As soon as this level of flow is reached, the general circuit which supplies all the injectors is opened, which causes a drop in the general pressure (but which must remain above the basic operating threshold of the nozzles) and causes the propagation of the flame at all the injectors: it is the ignition of the chamber which must be in phase with the gradual increase in the mass flow and the pressure of the compressed air (2) supplied to the combustion chamber. As a general rule, the starting circuit is closed, once the flame propagation to all the injectors is established.
L'allumage de la flamme est provoqué par l'apport de l'énergie thermique d'une bougie, fonctionnant en continu ou en impulsion, judicieusement placée, à proximité de l'éjection du gicleur de démarrage.The ignition of the flame is caused by the contribution of thermal energy from a spark plug, operating continuously or in pulse, judiciously placed, near the ejection of the starting nozzle.
Partant de là, on peut envisager une modification du dispositif selon l'invention, en intégrant un circuit d'allumage spécialisé, ce qui demande de modifier le canal d'alimentation central (7) de l'anneau de distribution de carburant par la mise en place, pour l'un des gicleur, d'une dérivation spéciale (19) qui lui permet d'être alimenté avantFrom there, we can envisage a modification of the device according to the invention, by integrating a specialized ignition circuit, which requires modifying the central supply channel (7) of the fuel distribution ring by putting in place, for one of the nozzles, a special bypass (19) which allows it to be supplied before
-12les autres et de fonctionner tout de suite sous pression et débit faibles avec une qualité de pulvérisation suffisante pour qu'on puisse allumer une flamme à partir de lui (20).-12 the others and to operate immediately under low pressure and flow with sufficient spray quality so that a flame can be lit from it (20).
Après amplification de la pression d'alimentation du carburant dans ce circuit spécial et dès qu'un certain niveau est atteint, un clapet (23) logé dans le canal central d'alimentation, libère l'ouverture de tous les autres gicleurs (21) de telle sorte à ce que la pression générale qui chute reste au-dessus du seuil élémentaires de fonctionnement de tous les gicleurs. Dans ce cas il y a propagation de la flamme aux autres gicleurs mais contrairement au principe d'injecteur spécialisé traditionnel, le gicleur alimenté par la dérivation reste alimenté et accompagne les autres gicleurs dans leur fonctionnement général pendant toute la durée du cycle.After amplification of the fuel supply pressure in this special circuit and as soon as a certain level is reached, a valve (23) housed in the central supply channel, releases the opening of all the other nozzles (21) so that the general pressure which drops remains above the elementary operating threshold of all the nozzles. In this case there is propagation of the flame to the other nozzles but contrary to the principle of traditional specialized injector, the nozzle supplied by the bypass remains supplied and accompanies the other nozzles in their general operation throughout the duration of the cycle.
Pour y parvenir, on dispose dans le canal central d'alimentation de carburant (7) un clapet de distribution (23) qui sous l'action de la pression du carburant qui se présente, à l'entrée du conduit central (7), peut avoir trois positions, la première (24) qui est celle de fermer l'accès de la conduite de carburant à tous les gicleurs si la pression qui se présente à l'entrée du conduit est nulle ou insuffisante, la seconde (25) qui donne l'accès au conduit de dérivation de l'injecteur spécialisé (19) dans la phase d'allumage de la chambre, si la pression qui se présente dépasse un premier seuil, la troisième (26) qui ouvre en complément l'accès à tous les autres gicleurs de l'anneau de distribution (5) si la pression qui se présente dépasse un second seuil approprié qui est nécessairement supérieur au premier.To achieve this, there is a distribution valve (23) in the central fuel supply channel (7) which, under the action of the fuel pressure which occurs, at the inlet of the central duct (7), can have three positions, the first (24) which is that of closing the access of the fuel line to all the nozzles if the pressure which is presented at the entry of the line is zero or insufficient, the second (25) which gives access to the bypass line of the specialized injector (19) in the ignition phase of the chamber, if the pressure which occurs exceeds a first threshold, the third (26) which additionally opens access to all the other nozzles of the distribution ring (5) if the pressure which occurs exceeds a second suitable threshold which is necessarily higher than the first.
Ce clapet (23) est piloté et adopte les positions requises, soit par l'effet de ressorts calibrés en fonction de leur résistance, soit par des pressions de fluides en contreThis valve (23) is piloted and adopts the required positions, either by the effect of springs calibrated according to their resistance, or by fluid pressures against
-13pression, soit par des électrovannes pilotés, ou tout autre dispositif adapté.-13pressure, either by piloted solenoid valves, or any other suitable device.
Ce qui est valable pour des carburants liquides de différentes natures, l'est aussi pour des gaz combustibles avec 5 des adaptations.What is valid for liquid fuels of different natures is also valid for combustible gases with adaptations.
Cette amélioration, facile à intégrer, simplifie énormément le circuit carburant classique et permet de gagner, en poids, en prix de revient, en facilité de montage et en fia10 bilité.This improvement, easy to integrate, greatly simplifies the conventional fuel system and saves weight, cost, ease of assembly and reliability.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1700546A FR3066553B1 (en) | 2017-05-22 | 2017-05-22 | RADIAL SWIRL CENTRAL INJECTOR |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1700546 | 2017-05-22 | ||
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3066553A1 true FR3066553A1 (en) | 2018-11-23 |
| FR3066553B1 FR3066553B1 (en) | 2021-02-26 |
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ID=60019944
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR (1) | FR3066553B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111006242A (en) * | 2019-12-19 | 2020-04-14 | 襄阳宏航实业有限责任公司 | Combustion chamber and production process thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3115011A (en) * | 1959-10-07 | 1963-12-24 | Bmw Triebwerkbau Gmbh | Gas turbine construction |
| DE1219287B (en) * | 1962-09-07 | 1966-06-16 | M A N Turbo Ges Mit Beschraenk | Gas turbine, in particular small gas turbine with centrifugal compressor and centrifugal turbine |
| US3306333A (en) * | 1964-03-31 | 1967-02-28 | Bendix Corp | Air spray combustor |
| FR2754333A1 (en) * | 1996-10-03 | 1998-04-10 | Etcheparre Bernard | Centrifugal injector for gas turbine combustor |
-
2017
- 2017-05-22 FR FR1700546A patent/FR3066553B1/en active Active
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| CN111006242A (en) * | 2019-12-19 | 2020-04-14 | 襄阳宏航实业有限责任公司 | Combustion chamber and production process thereof |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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