CA1057645A - Bruleur pour combustible fluide - Google Patents

Abstract

Brûleur pour combustible fluide présentant une ouverture de distribution destinée à déboucher dans une chambre de combustion. Il a une source de comburant gazeux sous pression, un générateur d'écoulement tourbillonnaire entre la source et l'ouverture et une buse d'injection du combustible, s'étendant coaxialement à cette ouverture. La section de l'ouverture présente un étranglement situé immédiatement en aval de l'extrémité d'éjection de la buse et adjacent à une partie évasée s'étendant en aval de cette ouverture, de manière à communiquer au comburant, passant à travers cet étranglement, une accélération en vue d'empêcher le vortex toroïdal engendré par l'écoulement tourbillonnaire d'atteindre la zone de la buse d'injection. Une chambre annulaire entoure la buse dans sa partie adjacente à son extrémité d'éjection, et s'ouvre axialement, concentriquement à cette buse et des moyens sont prévus pour amener dans cette chambre annulaire une portion de la masse de comburant délivrée par ladite source.

Description

1057~;4S
La présente demande est relative ~ un brûleur pour combustible fluide.
Les etudes sur la combustion d'un ecoulement de - fluide dans une chambre de combustion ont montre qu'il est bon d'assurer une recirculation interne des produits de combustion très intense et un ancrase de la flamme de manière à stabiliser la combustion. Ces conditions etant realisees, il est alors possible de réduire l'excès dlair pour un indice Bacharach dans les gaz de combustion de niveau acceptable.
Un moyen particulièrement efficace pour assurer cette recirculation conjointement à l'ancrage de la flamme dans la chambre de combustion consiste à introduite le comburant gazeux dans cette chambre en lui communiquant un mouvement helico~dal autour de l'axe du conduit d'injection du combustible. Ce mode d'~coulement tourbillonnaire, connu sous la denomination anglo-`~ saxonne "swirl" engendre un vortex torondal qui provoque une `
forte recirculation interne du melange de gaz comburant et de combustible injecte et des produits de combustion, augmentant il ainsi leur chance de reaction c'est-à-dire de combustion com-;~ 20 plète et assurant un brassage vigoureux de l'ensemble.
Plus l'ecoulement tourbillonnaire est intense, I, c'est-à-dire plus le moment cinetique de rotation est important ~, par rapport a la quantit~ de mouvement axial, plus le vortex tor~dal s'etend en direction de la buse d'injection si celle-ci se trouve sur l'axe de generation de l'~coulement tour-billonnaire. Comme ce vortex transporte des particules de combu9tible no~ encore complètement br~l~es, de la suie ou, dans le cas d'un combustible liquide, du fuel-oil se deposent ' sur la buse d'injection et s'y accumulent, provoquant peu ; 30 peu l'obstruction de cette buse.
~ Pour remedier à cet inconvenient, il a deja ete `~ propose dans le brevet suisse No. 586,372, delivre le 15 fevrier ~-J

~t)S7645 1977, de menager une chambre annulaire autour de la buse qui s'ouvre au droit de l'extremite d'ejection de la buse et dans laquelle est amenee une partie de la masse de gaz comburant delivree par le ventilateur d'alimentation du brûleur.
Si l'efficacite de cette mesure a ete demontrée, il a egalement ete constate que le comburant distribue axialement ; dans une zone annulaire, concentrique a la buse, creait des conditions d'ecoulement compatibles avec l'inflammabilite du melange combustible-comburant.
Par contre, le vortex toro~dal engendre par un ecoulement tourbillonnaire intense "remonte" jusque dans le col du brûleur en suivant la face extérieure de la paroi de la ., chambre annulaire et depose des particules de combustible qui `~ 91 accumulent, se transforment en charbon et en goudron, ce qui encrasse cette paroi. Ces particules de combustible sont ' susceptibles de s'accumuler sur tout obstacle rencontré, quelle ~ que soit sa superficie. C'est ainsi que des particules de `~ combustible se sont accumulées sur la surface en bout de la paroi de la chambre tubulaire qui n'a ~u'un millimètre d'é-paisseur. Cette "remontée" ou mouvement vers l'amont d'un .~; ecoulement à fort écoulement tourbillonnaire se matérialise par un ou plusieurs points de décollement et des vitesses axiales locales inversees par rapport à l'ecoulement moyen;
il s'agit en quelque sorte d'une rupture de vortex, connu sous ~ la denomination anglo-saxonne "vortex breakdown".
`~ Le but de la presente invention est d'empêcher la fonmation de ces dépôts.
cet effet, cette invention a pour objet, et il est ~.
~i` ici revendique, un br~leur pour combustible fluide présentant une ouverture de distribution de comburant destinée à déboucher dans une chambre de combustion. Ce brûleur comprend une source -- de comburant gazeux sous pression, un gen~rateur d'ecoulement `~:

~` - 2 -.~ ., .
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~S~57645 tourbillonnaire entre cette source et cette ouverture et une buse d'injection du combustible s'étendant coaxialement à
cette ouverture dont la section présente un étranglement situe immédiatement en aval de l'extrémité d'éjection de la buse et adjacente a une partie évasee s'étendant en aval de cette ouverture de maniere a communiquer, au comburant passant a travers cet étranglement, une accélération en vue d'empêcher le vortex toro~dal engendré par l'écoulement tourbillonnaire d'atteindre l'extrémité d'injection de la buse. Le bruleur se caractérise en ce que, en amont de l'étranglement et au droit de l'extrémité d'injection de la buse, une paroi tubulaire concentrique à cette buse divise l'ouverture en une ouverture centrale et une ouverture annulaire. Il se caractérise aussi en ce que le générateur d'écoulement tourbillonnaire est disposé
en amont de cette ouverture annulaire pour créer un écoulement tourbillonnaire tandis que l'ouverture centrale est destinée à
engendrer, dans le prolongement de la buse, un ecoulement axial dans lequel le champ des vitesses est inferieur à celui engendre entre la sortie de la zone annulaire et l'etranglement de mani8re a creer une zone centrale de mise en combustion du mélange de combustible et de comburant en vue d'assurer l'accrochage de la flamme.
La ~igure unique du dessin annexe illustre, schemati-quement et ~ titre d'exemple, une orme d'execution du br~leur objet de la presente invention, vu en coupe axiale.
La tête du brûleur 1 comporte une bache spirale 2 qui re~oit en son centre un porte-buse 3 traverse axialement par une ouverture dans laquelle s'ajuste une buse 4 de pulveri-sation de combustible fluide alimentee par une source de fluide sous pression (non repr~sentee). Cette bâche spirale est reliee à la sortie d'un ventilateur 5 qui constitue la source de com-burant gazeux sous pression. La bâche spirale 2 est munie d'un .
3 ~

.,, ~OS7645 genérateur d'écoulement tourbillonnaire et presente, a cet effet, un aubage fixe 6, dont les pales sont orientees en fonction de l'intensite de l'écoulement tourbillonnaire désiré.
Cet aubage 6 contrôle l'accès à l'ouverture centrale de dis-tribution 2a de la bâche 2, concentrique à la buse 4.
Cette ouverture de distribution fait communiquer la bâche spirale 2 avec un pot de flamme 7 placé a l'entrée de la chambre de combustion dont les limites ne sont pas matériali-sées par le dessin. Ce pot présente une partie conique 7a, adjacente a l'ouverture de distribution 2a de la bâche 2, et une partie cylindrique 7b. .
L'aubage 6 est solidaire d'un disque 8 fixé au porte-buse 3 dont la périphérie présente un rebord 8a qui s'étend sur la face du disque 8 opposee a celle portant l'au-bage 6. Ce rebord 8a prend appui contre le carter de la bâche 2 en formant une enceinte annulaire 9 qui communique avec le reste de la bâche 2 par des ouvertures 8b qui traversent le rebord 8a.
Le porte-buse 3 présente des passages radiaux 3a j 20 pour ~aire communiquer une chambre annulaire lO formee autour de la buse 4 par un degagement m~nagé dans le porte-buse 3, d'une part, et par un manchon ll prolongeant le porte-buse 3 en direction de la chambre de combustion, d'autre part, et se terminant sensiblement au droit de l'extremite d'ejection de la buse 4, en ~ormant une ouverture de sortie lOa pour la chambre annulaire 10.
Une serie d'ailettes 12 s'etendent dans l'espace annulaire forme entre l'ouverture de distribution 2a de la b~che spirale 2 et la face externe du manchon ll. Ces ailettes l 30 forment un angle par rapport à l'axe longitudinal de la buse 4, cet angle etant choisi en ~onction de l'intensite desiree pour ~:.
coulement tourbillonnaire, c'est-à-dire en fonction de 4 ~

,.
1~

~t~57645 l'importance du moment cinetique de rotation par rapport a la quantite de mouvement axial et qui determine l'intensite du vortex toro~dal. Les arêtes de sortie de ces ailettes sont coplanaires a l'ouverture de sortie lOa de la chambre annulaire 10. Ces ailettes ont pour but de fixer avec préci-sion l'intensité de l'écoulement tourbillonnaire engendrë par l'aubage 6. Entre les arêtes de sortie des ailettes 12 et la naissance de la partie conique 7a du pot 7, la section de passage du gaz comburant presente une striction annulaire 13 dont le rôle est de creer une acceleration tres locale du gaz com-burant juste avant qu'il ne penetre dans la partie conique 7a du pot 7.
Cette striction annulaire 13 ~oue le rôle d'une : véritable barriere dynamique vis-a-vis des vortex toroidaux engendrés a l'intérieur de l'écoulement tourbillonnaire de gaz comburant sortant par l'ouverture 2a, a travers les ailettes 12.
Lorsque le ventilateur 5 alimente la bâche spirale 2 en air ou en un mélange d'air et de gaz de combustion ou en tout autre comburant gazeux approprié, ce comburant se divise ~0 en deux parties dont la majeure partie (de l'ordre de 75% a 90~) passe à travers l'aubage fixe 6 qui forme l'ecoulement tourbillonnaire autour de la buse 4.
L'autre partie de comburant est prelev~e dans la bâche spirale 2 gr~ce au chemin formé par les ouvertures 8b, les passages radlaux 3a et la chambre annulaire 10, pour SQrtir axialement par l'ouverture lOa. La partie du comburant ~a~eux sous pression d~vi~e par ce chemin a pour but de former unc a~ration de l'extr~mit~ de la buse 4 en vue d'empêcher ,:~
les particules de carburant non brûlees ou toutes autres particules entrainees dans le vortex toro~dal engendré par ~ .
l'ecoulement tourbillonnaire de se déposer à la surface de la :
~, buse 4 et de l'encrasser. Elle permet aussi de former au s . ., ~ . ~ , ,. . .,., . . ~ , .. . .

1~157645 centre de l'écoulement tourbillonnaire une zone dans laquelle les vitesses d'écoulement sont plus faibles que si le tour-billon s'étendait jusqu'a l'axe de la buse 4. Cette zone cen-trale permet de réduire les vitesses d'écoulement afin de les rendre compatibles avec les conditions d'inflammabilité du mélange de combustible et de comburant, dont la source d'igni-tion est formée par un jeu d'électrodes 14.
La striction annulaire 13 provoque une réduction de la section de passage des fluides sortant par l'ouverture 2a et le manchon 11. Cette striction est génératrice d'une accéléra-tion tres localisée dont le role est de s'opposer aux vortex toroidaux formés au centre de l'écoulement tourbillonnaire qui tendent à "remonter" vers l'ouverture 2a en déposant des particules de combustible contre les surfaces en bout cons- ` :
tituées par les épaisseurs des ailettes 12 et de la paroi du manchon 11.
I,es essais effectués ont montré qu'après des dizaines d'heures de fonctionnement, aucun dépot de particules de com-bustible ne s'étaient deposees sur les sur~aces en bout des ailettes 12 et du manchon 11.

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Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

Brûleur pour combustible fluide présentant une ouverture de distribution de comburant destinée à déboucher dans une chambre de combustion, comprenant: une source de comburant gazeux sous pression; un générateur d'écoulement tourbillonnaire entre cette source et cette ouverture; une buse d'injection du combustible s'étendant coaxialement à cette ouverture dont la section présente un étranglement situé immé-diatement en aval de l'extrémité d'éjection de la buse et adja-cente à une partie évasée d'étendant en aval de cette ouverture de manière à communiquer, au comburant passant à travers cet étranglement, une accélération en vue d'empêcher le vortex toroïdal engendré par l'écoulement tourbillonnaire d'atteindre l'extrémité d'injection de la buse, caractérisé par le fait que, en amont dudit étranglement, au droit de l'extrémité
d'injection de la buse, une paroi tubulaire concentrique à
cette buse divise ladite ouverture en une ouverture centrale et une ouverture annulaire, ledit générateur d'écoulement tour-billonnaire étant disposé en amont de cette ouverture annulaire, pour créer un écoulement tourbillonnaire tandis que ladite ouverture centrale est destinée à engendrer, dans le prolonge-ment de la buse, un écoulement axial dans lequel le champ des vitesses est inférieur à celui engendré entre la sortie de ladite zone annulaire et ledit étranglement de manière à créer une zone centrale de mise en combustion du mélange de combus-tible et de comburant en vue d'assurer l'accrochage de la flamme.