FR2694799A1 - Conventional annular combustion chamber with several injectors - includes base mounted circumferentially alternately for pilot and full gas providing idling or take off power with air blown to fuel cone - Google Patents
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Abstract
Description
CHAMBRE DE COMBUSTION ANNULAIRE
CONVENTIONNELLE A PLUSIEURS INJECTEURS
La présente invention concerne le domaine des turbomachines et notamment des turboréacteurs d'aviation.ANNULAR COMBUSTION CHAMBER
CONVENTIONAL WITH SEVERAL INJECTORS
The present invention relates to the field of turbomachinery and in particular aviation turbojets.
Les turboréacteurs d'aviation peuvent être soumis à des régimes variés, notamment le régime de ralenti, le régime de décollage et le régime de croisière. D'autre part, il est demandé à ces turboréacteurs d'émettre peu de gaz polluants et notamment peu d'oxydes d'azote, quel que soit leur régime, tout en conservant une stabilité de la flamme afin d'éviter une extinction de la chambre de combustion dans les phases critiques de vol, notamment en descente pendant la phase d'atterrissage. Aviation turbojets can be subjected to a variety of regimes, including idling, take-off and cruising. On the other hand, these turbojet engines are asked to emit few polluting gases and in particular few nitrogen oxides, whatever their regime, while maintaining flame stability in order to avoid extinction of the combustion chamber in critical flight phases, in particular when descending during the landing phase.
Il est connu que la production des oxydes d'azote est notablement élevée, à haute température, lorsque l'air forme un mélange stoechiométrique avec le carburant et que cette production d'oxydes d'azote est d'autant plus importante que le mélange stoechiométrique réside longtemps dans la chambre de combustion. It is known that the production of nitrogen oxides is notably high, at high temperature, when the air forms a stoichiometric mixture with the fuel and that this production of nitrogen oxides is all the more important as the stoichiometric mixture long resides in the combustion chamber.
Ces conditions sont réunies à plein régime dans les turboréacteurs traditionnels du fait que la chambre de combustion a un volume notablement élevé afin de garantir des performances de stabilité de combustion de rallumage à bas régime.These conditions are met at full speed in traditional turbojet engines because the combustion chamber has a notably high volume in order to guarantee combustion stability performance of relighting at low speed.
Il a déjà été proposé d'équiper la chambre de combustion d'un turboréacteur avec des têtes de ralenti et des têtes de décollage décalées axialement et radialement et débouchant dans une zone commune. Si ce type de chambre donne satisfaction du point de vue de la réduction de la pollution, il comporte cependant quelques inconvénients, comme par exemple son dimensionnement radial lié à la superposition des têtes de ralenti et des têtes de décollage, et le nombre important d'injecteurs, ce qui augmente le coût et la masse. It has already been proposed to equip the combustion chamber with a turbojet engine with idling heads and takeoff heads offset axially and radially and opening into a common area. If this type of chamber is satisfactory from the point of view of the reduction of pollution, it nevertheless has some drawbacks, such as for example its radial dimensioning linked to the superimposition of the idle heads and the take-off heads, and the large number of injectors, which increases the cost and mass.
Un autre inconvénient apparaît au niveau de la carte des températures en sortie de chambre lorsque seul la tête de ralenti fonctionne. En effet, la turbine à haute pression peut alors être soumise à des températures avoisinant les 18000K en têtes d'aubes alors que les pieds ne sont qu'à 900K environ. Ceci provoque des pertes de rendement à la turbine. Another drawback appears in the temperature map when leaving the room when only the idle head is operating. Indeed, the high pressure turbine can then be subjected to temperatures approaching 18000K at the blade heads while the feet are only around 900K. This causes efficiency losses to the turbine.
Pour illustrer la technique des chambres de combustion produisant peu d'oxydes d'azote, on citera le document US 4 898 001 dans lequel il est prévu un cône intérieur 13 au niveau des injecteurs de façon à réduire le volume de combustion, le document EP 0 441 542 dans lequel on réduit le volume de combustion par un cône intérieur et on prévoit une zone d'arrivée d'air au niveau de la fin du cône pour le passage rapide d'un mélange riche en un mélange pauvre, ainsi que les documents US 4 944 149 et FR 2 446 443 qui décrivent des chambres tubulaires avec une zone de forte dilution pour une réduction de la pollution. To illustrate the technique of combustion chambers producing little nitrogen oxides, mention will be made of document US 4,898,001 in which an internal cone 13 is provided at the level of the injectors so as to reduce the combustion volume, document EP 0 441 542 in which the combustion volume is reduced by an internal cone and an air intake zone is provided at the end of the cone for the rapid passage of a rich mixture into a lean mixture, as well as the documents US 4,944,149 and FR 2,446,443 which describe tubular chambers with a zone of high dilution for a reduction in pollution.
Par ailleurs, parmi les concepts de foyers de combustion conduisant potentiellement à une diminution significative des émissions d'oxydes d'azote, le foyer à combustion riche et dilution rapide dénommé RB-QQ (Rich Burn-Quick Quench) ou encore
RQL (Rich Quick Lean) est connu dans le domaine de la combustion.In addition, among the concepts of combustion stoves potentially leading to a significant reduction in nitrogen oxide emissions, the rich combustion and rapid dilution hearth called RB-QQ (Rich Burn-Quick Quench) or
RQL (Rich Quick Lean) is known in the field of combustion.
Le but de la présente invention est de proposer une chambre de combustion annulaire de type conventionnelle, c'est-à-dire dans laquelle les injecteurs de carburant sont partis circonférentiellement à égale distance de l'axe de la turbomachine, qui permette de réduire la production des oxydes d'azote, de conserver une température homogène des gaz à l'entrée des turbines, quel que soit le régime et en conservant à ladite chambre un dimensionnement radial et axial raisonnable. The object of the present invention is to provide an annular combustion chamber of the conventional type, that is to say in which the fuel injectors are left circumferentially at equal distance from the axis of the turbomachine, which makes it possible to reduce the production of nitrogen oxides, to maintain a homogeneous temperature of the gases at the inlet of the turbines, whatever the speed and while maintaining a reasonable radial and axial dimensioning in said chamber.
L'invention concerne donc une chambre de combustion annulaire pour une turbomachine, notamment pour un turboréacteur d'aviation, comportant des parois axiales réunies par un fond de chambre et une extrémité aval ouverte pour l'écoulement des gaz, ledit fond de chambre possédant une pluralité d'orifices pour le montage des injecteurs de carburant disposés circonférentiellement dans le même plan. The invention therefore relates to an annular combustion chamber for a turbomachine, in particular for an aviation turbojet, comprising axial walls joined by a chamber bottom and an open downstream end for the flow of gases, said chamber bottom having a plurality of holes for mounting the fuel injectors arranged circumferentially in the same plane.
Selon l'invention, la chambre de combustion est caractérisée en ce que lesdits injecteurs de carburant sont répartis en un premier groupe d'injecteurs dits "pilote" fournissant chacun du carburant à une tête de ralenti, et en un deuxième groupes d'injecteurs dits "plein gaz" fournissant chacun du carburant à une tête de décollage, lesdits injecteurs "plein gaz" alternant avec lesdits injecteurs "pilote", chaque tête de décollage comportant un foyer tubulaire s'étendant depuis ledit fond de chambre dans le volume de ladite chambre et entourant l'injecteur "plein gaz" correspondant, ledit foyer tubulaire étant équipé à son extrémité aval de moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant issu de l'injecteur plein gaz" correspondant. According to the invention, the combustion chamber is characterized in that said fuel injectors are divided into a first group of so-called "pilot" injectors each supplying fuel to an idling head, and into a second group of so-called injectors "full gas" each supplying fuel to a take-off head, said "full gas" injectors alternating with said "pilot" injectors, each take-off head comprising a tubular hearth extending from said chamber bottom into the volume of said chamber and surrounding the corresponding "full gas" injector, said tubular hearth being equipped at its downstream end with means for blowing air into the fuel cone coming from the corresponding full gas injector.
Grâce à cette structure, les injecteurs de carburant sont tous dans le même plan et disposés circonférentiellement. Ceci permet de conserver au fond de chambre une configuration classique. La présence des foyers tubulaires dans le volume interne de la chambre permet de diminuer le volume des modules "plein gaz" et par là même la production des oxydes d'azote par suite de la limitation du temps de séjour des gaz dans le module "plein gaz". Thanks to this structure, the fuel injectors are all in the same plane and arranged circumferentially. This allows a classic configuration to be preserved at the bottom of the room. The presence of the tubular hearths in the internal volume of the chamber makes it possible to reduce the volume of the "full gas" modules and thereby the production of nitrogen oxides due to the limitation of the residence time of the gases in the "full module" gas".
Selon une première variante, le foyer est de forme conique et présente une paroi intérieure et une paroi extérieure réunies à leurs extrémités aval et délimitant entre elles un passage d'air annulaire. According to a first variant, the hearth is conical in shape and has an inner wall and an outer wall joined at their downstream ends and delimiting between them an annular air passage.
Les moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant comportant des orifices calibrées prévues dans la paroi intérieure au voisinage de son extrémité aval. Une vrille peut être disposé dans ledit passage d'air.The means for blowing air into the fuel cone having calibrated orifices provided in the interior wall in the vicinity of its downstream end. A spin can be arranged in said air passage.
Selon une deuxième variante, le foyer est de forme cylindrique et comporte des moyens de prise d'air à son extrémité amont, ainsi que des canaux hélicoïdaux s'étendant d'amont en aval et destinés à diriger l'air depuis les moyens de prise d'air vers les moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant. According to a second variant, the hearth is cylindrical in shape and comprises air intake means at its upstream end, as well as helical channels extending from upstream to downstream and intended to direct the air from the intake means of air to the means for blowing air into the fuel cone.
La chambre de combustion présente avantageusement un col annulaire au voisinage de l'extrémité aval des foyers tubulaires, qui partage le volume interne de la chambre de combustion en une zone à combustion riche et une zone à dilution rapide. The combustion chamber advantageously has an annular neck in the vicinity of the downstream end of the tubular hearths, which divides the internal volume of the combustion chamber into a rich combustion zone and a rapid dilution zone.
La chambre de combustion est alors constituée d'un groupe de foyers tubulaires à combustion riche et dilution rapide réparties circonférentiellement dans ladite chambre et un groupe de systèmes d'injection pilote alternant avec lesdits foyers tubulaires. The combustion chamber then consists of a group of tubular hearths with rich combustion and rapid dilution distributed circumferentially in said chamber and a group of pilot injection systems alternating with said tubular hearths.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemples et en référence aux dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 est une vue frontale de la chambre de combustion selon l'invention;
- la figure 2 est une coupe axiale selon la ligne II-II de la figure 1 d'une tête de ralenti;
- la figure 3 est une coupe axiale selon la ligne III-III de la figure1 d'une tête de décollage selon un premier mode de réalisation
- la figure 4 est une coupe axiale selon la ligne III-ffi de la figurel d'une tête de décollage selon un deuxième mode de réalisation;
- la figure 5 est une vue en perspective du foyer tubulaire de la figure 4;
- la figure 6 montre en détail l'extrémité aval d'une tôle utilisée pour la fabrication du foyer tubulaire de la figure 5;;
- la figure 7 représente schématiquement une coupe axiale d'un foyer tubulaire de type RQL; et
- la figure 8 représente une coupe axiale d'un système pilote dans un foyer de type RQL.Other characteristics and advantages of the present invention will appear better on reading the following description given by way of examples and with reference to the appended drawings in which:
- Figure 1 is a front view of the combustion chamber according to the invention;
- Figure 2 is an axial section along the line II-II of Figure 1 of an idle head;
- Figure 3 is an axial section along line III-III of Figure1 of a takeoff head according to a first embodiment
- Figure 4 is an axial section along line III-ffi of the figurel of a take-off head according to a second embodiment;
- Figure 5 is a perspective view of the tubular hearth of Figure 4;
- Figure 6 shows in detail the downstream end of a sheet used for the manufacture of the tubular hearth of Figure 5 ;;
- Figure 7 schematically shows an axial section of a tubular hearth of the RQL type; and
- Figure 8 shows an axial section of a pilot system in an RQL type home.
La chambre de combustion de turbine à gaz représenté sur les dessins est du type annulaire, délimitée par une paroi annulaire externe 1, une paroi annulaire interne 2, un fond de chambre transversal 3 réunissant lesdites parois 1 et 2. Le fond est percé de plusieurs orifices 4 à l'intérieur de chacun desquels est placé un injecteur de carburant 5. Les injecteurs de carburant 5 sont sensiblement tous à égale distance de l'axe de la chambre de combustion et ils sont régulièrement espacés sur le fond de chambre 3. L'extrémité aval 16 de la chambre de combustion est ouverte pour permettre l'écoulement des gaz. The gas turbine combustion chamber shown in the drawings is of the annular type, delimited by an external annular wall 1, an internal annular wall 2, a transverse chamber bottom 3 joining said walls 1 and 2. The bottom is pierced with several orifices 4 inside each of which is placed a fuel injector 5. The fuel injectors 5 are substantially all equidistant from the axis of the combustion chamber and they are regularly spaced on the bottom of the chamber 3. L the downstream end 16 of the combustion chamber is open to allow the flow of gases.
Les injecteurs 5 sont répartis en deux groupes. Les injecteurs 5 du premier groupe, dits injecteurs pilote, fournissent du carburant à des têtes de ralenti 6 adaptées au fonctionnement au régime du ralenti. Les injecteurs 5 du deuxième groupe, dits injecteurs plein gaz ou de décollage, fournissent du carburant à des têtes de décollage 7 adaptées au fonctionnement à pleine charge, correspondant par exemple au décollage d'un avion ou à son déplacement en croisière. The injectors 5 are divided into two groups. The injectors 5 of the first group, called pilot injectors, supply fuel to the idle heads 6 adapted to operation at idle speed. The injectors 5 of the second group, called full-gas or take-off injectors, supply fuel to take-off heads 7 adapted to operating at full load, corresponding for example to the take-off of an aircraft or to its displacement while cruising.
Chaque orifice 4 est associé à un dispositif d'admission d'air dans la chambre de combustion 8 qui comprend notamment des vrilles d'admission 9 possédant, de manière connue, la propriété d'entraîner l'air admis autour des injecteurs de carburant 4 sous forme de tourbillons à l'intérieur de la chambre de combustion 8, afin de favoriser la vaporisation du carburant émis, dans la chambre de combustion 8, par l'injecteur de carburant 5, sous forme d'un jet de carburant 10 sensiblement conique. Each orifice 4 is associated with an air intake device in the combustion chamber 8 which notably comprises intake tendrils 9 having, in known manner, the property of entraining the air admitted around the fuel injectors 4 in the form of vortices inside the combustion chamber 8, in order to favor the vaporization of the fuel emitted, in the combustion chamber 8, by the fuel injector 5, in the form of a substantially conical jet of fuel 10 .
Les têtes de ralenti 6 alternent avec les têtes de décollage 7. Idle heads 6 alternate with takeoff heads 7.
Chaque tête de décollage 7 comporte un foyer tubulaire 11 qui entoure l'injecteur plein gaz correspondant 5 et qui s'étend dans le volume interne de la chambre de combustion 8. Ce foyer tubulaire 11 comporte à son extrémité aval 12 des moyens pour insuffler de l'air dans le cône de carburant 10.Each take-off head 7 comprises a tubular hearth 11 which surrounds the corresponding full gas injector 5 and which extends into the internal volume of the combustion chamber 8. This tubular hearth 11 has at its downstream end 12 means for blowing the air in the fuel cone 10.
Selon un premier mode de réalisation du foyer tubulaire 11, ce dernier comporte une paroi extérieure 13 et une paroi intérieure 14, réunies à leur extrémité aval 12 et formant un ensemble conique ouvert à son extrémité aval 12 et dont la section va décroissant dans le sens 15 de l'écoulement des gaz. Les lisières amont 18 et 19 des parois 13 et 14 sont liées au fond de chambre 3 par brasage. Les parois 13 et 14 délimitent entre elles un passage d'air annulaire 20 autour de l'injecteur de carburant 5. Cet air sert, d'une part, au refroidissement interne et externe des parois 13 et 14 et, d'autre part, à l'alimentation en air primaire de la tête de décollage 7 à l'extrémité aval 12. A cet effet, la paroi intérieure 14 comporte au voisinage de l'extrémité aval 12 des orifices calibrés 21. Une vrille 22 est avantageusement disposée dans le passage annulaire 20.Des perforations 23 sont ménagées dans les parois 13 et 14 pour la circulation de l'air de refroidissement. According to a first embodiment of the tubular hearth 11, the latter comprises an outer wall 13 and an inner wall 14, joined at their downstream end 12 and forming a conical assembly open at its downstream end 12 and whose cross section decreases in the direction 15 of the gas flow. The upstream edges 18 and 19 of the walls 13 and 14 are linked to the bottom of the chamber 3 by brazing. The walls 13 and 14 define between them an annular air passage 20 around the fuel injector 5. This air is used, on the one hand, for the internal and external cooling of the walls 13 and 14 and, on the other hand, to the primary air supply to the take-off head 7 at the downstream end 12. For this purpose, the interior wall 14 comprises, in the vicinity of the downstream end 12, calibrated orifices 21. A spin 22 is advantageously placed in the annular passage 20. Perforations 23 are provided in the walls 13 and 14 for the circulation of the cooling air.
Il est à noter que les orifices calibrés 21 insufflent de l'air primaire, pratiquement de façon perpendiculaire, dans le cône de carburant 10 issu de l'injecteur correspondant 5. Ils assurent ainsi une fonction de pilotage de l'ouverture de la nappe de carburant. It should be noted that the calibrated orifices 21 breathe primary air, practically perpendicularly, into the fuel cone 10 coming from the corresponding injector 5. They thus provide a function of controlling the opening of the ply of fuel.
Le flux d'air qui s'échappe des perforations de la paroi extérieure 13 assure, en plus de sa fonction de refroidissement, l'intercommunication de la flamme entre les injecteurs 5 des têtes de ralenti 6. The air flow which escapes from the perforations of the external wall 13 ensures, in addition to its cooling function, the intercommunication of the flame between the injectors 5 of the idle heads 6.
Selon un deuxième mode de réalisation, le foyer tubulaire 11 est de forme cylindrique. Il peut être réalisé par deux tôles 30 et 31 liées entre elles par brasage. Préalablement à la liaison par brasage, des rainures ont été gravées sur les faces en contact des deux tôles 30 et 31 de façon à former des canaux hélicoïdaux 32. Ces canaux hélicoïdaux 32 sont alimentés en air par des prises d'air 33 prévues en amont de la chambre de combustion au niveau du fond de la chambre 3. Ils débouchent au voisinage de l'extrémité aval 12 dans une cavité annulaire 34 également gravée entre les deux tôles 31 et 32. L'air circulant dans les canaux 32 permet de refroidir le foyer tubulaire 11 puis, après avoir circulé dans la cavité 34, il est dirigé par une pluralité d'orifices calibrés 21 perpendiculairement vers le cône de carburant 12 provenant de l'injecteur 5.Les orifices calibrés 21 jouent également ici la fonction de pilotage de l'ouverture de la nappe de carburant. A la périphérie amont du foyer cylindrique 11, une pluralité d'orifices 35 est disposée de manière convergente à la tôle 31. L'air pénétrant par les orifices 35 vient refroidir, par film, la tôle 31. According to a second embodiment, the tubular hearth 11 is of cylindrical shape. It can be produced by two sheets 30 and 31 linked together by brazing. Before the connection by brazing, grooves were etched on the contacting faces of the two sheets 30 and 31 so as to form helical channels 32. These helical channels 32 are supplied with air by air intakes 33 provided upstream from the combustion chamber at the bottom of the chamber 3. They open in the vicinity of the downstream end 12 in an annular cavity 34 also etched between the two sheets 31 and 32. The air circulating in the channels 32 makes it possible to cool the tubular hearth 11 then, after having circulated in the cavity 34, it is directed by a plurality of calibrated orifices 21 perpendicularly to the fuel cone 12 coming from the injector 5. The calibrated orifices 21 also play the piloting function here opening of the fuel table. At the upstream periphery of the cylindrical hearth 11, a plurality of orifices 35 are arranged convergently to the sheet metal 31. The air entering through the orifices 35 cools the sheet metal 31 by film.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, la chambre de combustion 8 présente un col annulaire 40 immédiatement en aval des foyers tubulaires 11. Le col annulaire 40 partage le volume interne de la chambre de combustion 8 en une zone à combustion riche 41 située du côté des injecteurs 5 et une zone à combustion pauvre 42 située du côté de ltextrémité aval 16, lesdites zones 41 et 42 étant séparées par une zone à dilution rapide 43 au niveau du col annulaire 40. Ce concept de foyer à combustion riche et dilution rapide dit RB-QQ ou RQL est connu dans le domaine de la combustion, et conduit potentiellement à une réduction significative des émissions d'oxydes d'azote.La chambre de combustion 8 de la présente invention comporte ainsi des foyers tubulaires de type RQL 44 imbriqués dans une chambre annulaire conventionnelle, c'est-à dire non étagée radialement, et alternant avec des systèmes d'injection pilote 45. According to an advantageous arrangement of the invention, the combustion chamber 8 has an annular neck 40 immediately downstream of the tubular hearths 11. The annular neck 40 shares the internal volume of the combustion chamber 8 in a rich combustion zone 41 located in the side of the injectors 5 and a lean combustion zone 42 situated on the side of the downstream end 16, said zones 41 and 42 being separated by a rapid dilution zone 43 at the level of the annular neck 40. This concept of rich combustion hearth and rapid dilution known as RB-QQ or RQL is known in the field of combustion, and potentially leads to a significant reduction in nitrogen oxide emissions. The combustion chamber 8 of the present invention thus comprises nested RQL 44 type tubular hearths in a conventional annular chamber, that is to say not radially stepped, and alternating with pilot injection systems 45.
Le col 40 permet de réduire le volume du mélange à combustion rapide à la sortie des foyers tubulaires de type RQL 44 et de limiter l'éclatement brusque à la sortie de ces foyers, tout en assurant des conditions de dilution rapide. Des orifices 46 d'entrée d'air de dilution sont prévus dans les parois 1 et 2 au niveau du col 40. The neck 40 makes it possible to reduce the volume of the rapid combustion mixture at the outlet of the tubular hearths of type RQL 44 and to limit the sudden bursting at the outlet of these hearths, while ensuring conditions of rapid dilution. Ports 46 for dilution air inlet are provided in the walls 1 and 2 at the neck 40.
Entre chaque foyer tubulaire RQL 44, les systèmes d'injection pilote 45 permettent d'étager le débit de carburant entre les conditions de ralenti et de plein gaz afin de maîtriser la pollution et le profil de température dans tout le domaine de fonctionnement du turboréacteur, ainsi que le plafond de rallumage et la stabilité de la flamme. Between each RQL 44 tubular hearth, the pilot injection systems 45 make it possible to stagger the fuel flow between the idling and full gas conditions in order to control the pollution and the temperature profile throughout the operating range of the turbojet, as well as the re-ignition ceiling and flame stability.
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