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FR3127988A1 - Dispositif d’injection de dihydrogène et d’air - Google Patents

Dispositif d’injection de dihydrogène et d’air Download PDF

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FR3127988A1
FR3127988A1 FR2111267A FR2111267A FR3127988A1 FR 3127988 A1 FR3127988 A1 FR 3127988A1 FR 2111267 A FR2111267 A FR 2111267A FR 2111267 A FR2111267 A FR 2111267A FR 3127988 A1 FR3127988 A1 FR 3127988A1
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distance
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Raphaël Yves RICHARD Stéphane
Nicolas Henri Viguier Christophe
Sylvain MARRAGOU
Thierry Schuller
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Safran Helicopter Engines SAS
Universite Toulouse III Paul Sabatier
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Safran Helicopter Engines SAS
Universite Toulouse III Paul Sabatier
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Abstract

Le présent document concerne un dispositif d’injection de dihydrogène (2) d’axe longitudinal (X) destiné à être monté sur un fond annulaire d’une chambre annulaire (4) de combustion d’une turbomachine comprenant un canal interne (6) de circulation de dihydrogène et un canal annulaire externe (8) de circulation d’un mélange comprenant au moins de l’air, le canal interne (6) et le canal annulaire externe (8) étant coaxiaux, une vrille interne (14) étant logée dans le canal interne (6) et une vrille externe (28) étant logée dans le canal annulaire externe (8), et dans lequel une extrémité aval (16) du canal interne (6) est agencée en amont, à une distance r, d’une extrémité aval (24) du canal annulaire externe (8). Cette combustion de dihydrogène permet d’éliminer les émissions polluantes carbonées tel que du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés ou encore des particules fines et fumées. Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

Dispositif d’injection de dihydrogène et d’air
Le présent document concerne les turbomachines dont la chambre de combustion est alimentée par des injections séparées de dihydrogène et d’air.
Le secteur aéronautique fait face à de grands enjeux environnementaux. L’intérêt d’avoir recours à une combustion utilisant du dihydrogène plutôt qu’à l’emploi de kérosène est de plus en plus fort car cette combustion de dihydrogène permettrait d’éviter les émissions de gaz carbonique (CO2) et les polluants carbonés tels que du monoxyde de carbone, des hydrocarbures imbrûlés ou encore des particules fines et fumées.
Il est connu un principe de brûleurs à micro-mélange d’air et de dihydrogène. Cependant, de tels brûleurs ne garantissent pas la tenue thermique d’une paroi percée ou l’absence de retour de flamme dans le dispositif d’injection de dihydrogène. Ces brûleurs possèdent également un système de géométrie complexe. De tels brûleurs présentent un coût de réalisation important, une perte de charge élevée et ces brûleurs sont spécifiques à une architecture de chambre de combustion donnée.
En effet, la combustion de dihydrogène engendre différentes problématiques. Ainsi, des risques de remontée de flamme dans le dispositif d’injection peuvent arriver pour des systèmes opérant avec des mélanges de dihydrogène et d’air. Cela peut endommager la chambre de combustion et poser de sérieux problèmes de sécurité. Enfin, la combustion de dihydrogène génère des charges thermiques élevées vers des parois de cette chambre de combustion, ce qui tend à en réduire la durée de vie. De fortes températures de gaz et d’émissions d’oxydes d’azote sont produites. Ces températures de gaz et d’émissions d’oxydes d’azote sont supérieures à celles produites par des flammes de kérosène, à richesse équivalente. Cela est, d’ailleurs, difficilement compatible avec les normes actuelles.
Résumé
Le présent document concerne un dispositif d’injection de dihydrogène d’axe longitudinal destiné à être monté sur un fond annulaire d’une chambre annulaire de combustion d’une turbomachine comprenant un canal interne de circulation de dihydrogène et un canal annulaire externe de circulation d’un mélange comprenant au moins de l’air, le canal interne et le canal annulaire externe étant coaxiaux, une vrille interne étant logée dans le canal interne et une vrille externe étant logée dans le canal annulaire externe, et dans lequel une extrémité aval du canal interne est agencée en amont, à une distance r, d’une extrémité aval du canal annulaire externe.
Ce dispositif permet de produire une flamme dihydrogène/air utilisable dans des turbomachines qui permet à la fois de produire de bas niveaux d’émissions d’oxydes d’azote, une charge thermique réduite sur la chambre de combustion et l’injecteur ainsi que de supprimer les risques de remontée de flamme. Par ailleurs cet injecteur a la particularité d’être à la fois simple à produire et facilement adaptable aux turbomachines existantes fonctionnant au kérosène.
De manière générale, une vrille permet de mettre en rotation un flux. L’intégration d’une vrille interne au canal interne permet de créer une zone de recirculation d’un écoulement de dihydrogène traversant ledit canal interne et évitant que la combustion du mélange air et dihydrogène ne vienne se stabiliser sur l’extrémité aval du canal interne. Par zone de recirculation, on entend une zone générant un effet de centrifugation avec une dépression à l'intérieur capable de produire une composante de vitesse axiale de l’écoulement en moyenne négative par rapport à une direction principale de l’écoulement. Cette zone de recirculation est similaire à celle générée à l’intérieur d’un tourbillon dans lequel de l’air est aspiré. La zone de recirculation interne bloque une partie de l’écoulement de dihydrogène le long de l’axe longitudinal dudit canal interne générant dans une section de sortie de ce canal interne des survitesses importantes à proximité des parois du canal interne par rapport à un écoulement avec une vitesse débitante axiale uniforme. La mise en rotation du dihydrogène du canal interne permet d’éviter d’accrocher la flamme sur les extrémités aval du canal interne en la stabilisant aérodynamiquement au-dessus du canal interne. L’extrémité aval du canal interne étant agencée en amont à une distance r, cela évite d’autant plus que la flamme ne s’accroche sur les lèvres du canal interne. Cette mise en rotation du dihydrogène du canal interne évite la mise en place d’un dispositif de refroidissement complexe du dispositif d’injection de dihydrogène. Ainsi, le coût et la masse du dispositif d’injection de dihydrogène sont améliorés. Ce dispositif d’injection de dihydrogène produit des pertes de charges limitées par rapport à d’autres dispositifs d’injection liquide utilisant du kérosène comme dans l’art antérieur. Ce dispositif d’injection de dihydrogène présente une géométrie simple, un faible coût de réalisation et s’adapte sur les architectures de chambre de combustion existantes.
Cette stabilisation de la flamme à distance facilite un mélange partiel entre le mélange contenant au moins de l’air avec le dihydrogène sortant du canal interne, en amont de la flamme, et en évitant tout risque de remontée de flamme dans ledit canal interne et le canal externe, aussi appelé « flash back » en anglais. Cela permet d’aboutir à une combustion appauvrie en dihydrogène dans la chambre de combustion. Ce dispositif tend ainsi à réduire très fortement les températures de combustion et des oxydes d’azote émis. Cela garantit une intégrité d’un foyer de combustion.
Le positionnement de l’extrémité aval du canal interne en amont de l’extrémité aval du canal annulaire, distance notée r sur la , externe remplit deux fonctions. Il permet d’optimiser le mélange entre le dihydrogène et l’air. Il permet aussi d’élargir le domaine de fonctionnement où la flamme est détachée en reculant la zone d’introduction centrale de dihydrogène par rapport à la zone de stabilisation aérodynamique de la flamme.
Le canal interne peut être un canal central tubulaire.
Au moins la vrille interne du canal interne peut présenter une forme hélicoïdale.
Cette forme hélicoïdale permet d’améliorer l’aérodynamisme de l’écoulement de dihydrogène traversant la vrille interne.
La vrille interne peut être agencée selon l’axe longitudinal en aval de la vrille externe.
Un taux de rotation S généré par la vrille interne du canal interne, défini comme un rapport entre une vitesse tangentielle et une vitesse débitante selon l’axe longitudinal d’un écoulement de dihydrogène en sortie de la vrille interne, peut être égal ou supérieur à 0,6.
Ces valeurs du taux de rotation S qui est un nombre sans dimensions permettent d’obtenir des flammes ayant un mouvement de rotation par rapport à l’axe longitudinal qui sont décrochées du canal interne.
La vrille interne du canal interne peut être agencée en amont, à une distance , de l’extrémité aval du canal interne.
Le canal interne peut avoir un diamètre interne d et le canal annulaire externe peut avoir un diamètre interne D tels qu’un rapport D/d soit compris entre 3 et 10.
Ce rapport D/d optimisé permet de fonctionner dans un régime pauvre en dihydrogène.
Une épaisseur d’une paroi du canal interne e est tel qu’un rapport e/d peut être compris entre 0,05 et 0,7.
Un rapport l/d peut être compris entre 1 et 3.
La distance minimale lminest égale à 1d de sorte qu’une zone de recirculation centrale pénètre dans le canal interne. La plage choisie pour l/d permet d’obtenir un bon compromis et un taux de rotation S suffisant pour mettre en rotation correctement la flamme.
La distance r peut être comprise entre 0,05D et 0,5D.
Il existe une valeur optimale pour la distance r qui dépend du diamètre D du canal externe. Si cette distance r est trop élevée, la zone de recirculation devient instable. La plage de valeur choisie pour r est optimisée de façon à obtenir une zone de recirculation stable.
Cette distance r par rapport à l’extrémité aval du canal annulaire externe permet d’augmenter le domaine de fonctionnement où la flamme est détachée en reculant une zone d’introduction de dihydrogène par rapport à la zone de stabilisation aérodynamique de la flamme.
La vrille externe du canal annulaire externe peut être agencée au niveau d’une extrémité amont dudit canal annulaire externe, à une distanceLde l’extrémité aval du canal annulaire externe.
La distanceLpeut être comprise entre 1D et 5D.
Le taux de rotation S peut être supérieur à 0,6, une vitesse débitante uidu dihydrogène dans le canal interne étant supérieure à une valeur critique ui,c et vérifiant la relation suivante :

Où :
  • P est une pression dans la chambre annulaire de combustion ;
  • est une température de l’air en Kelvin dans le canal externe;
  • compris entre 1 et 1,5 est un facteur dépendant d’un type de vrille utilisée ;
  • S0=0.6, P0=1 bar, Ta0=300 K et ui, c 0=18 m/s.
Cette valeur critique ui,c permet d’assurer que la flamme formée en sortie du dispositif d’injection soit détachée des extrémités avals du canal interne pour une large plage de fonctionnement moteur.
Le mélange peut être de l’air.
Le présent document concerne un ensemble comprenant le dispositif du type précité, dans lequel le canal interne, relié fluidiquement à des moyens d’alimentation en dihydrogène, comporte la vrille interne configurée pour mettre en rotation ledit dihydrogène, et le canal annulaire externe, relié fluidiquement à des moyens d’alimentation en air, comporte la vrille externe configurée pour mettre en rotation ledit air.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
montre une turbomachine comprenant un dispositif d’injection de dihydrogène agencé dans un fond annulaire d’une chambre annulaire de combustion selon trois configurations.
Fig. 2
montre le dispositif d’injection de dihydrogène, selon l’invention.
Fig. 3
montre schématiquement une formation d’une zone de recirculation qui pénètre le dispositif d’injection de dihydrogène et une flamme en sortie du dispositif d’injection de dihydrogène.
Fig. 4
montre une pluralité de configurations possibles (figures. A, B, C, D, E, F, G, H) de canal interne, selon l’invention.
Fig. 5
montre une pluralité de configurations possibles (figures. A, B, C, D, E) d’extrémité aval de canal annulaire externe, selon l’invention.

Claims (15)

  1. Dispositif d’injection de dihydrogène (2) d’axe longitudinal (X) destiné à être monté sur un fond annulaire d’une chambre annulaire (4) de combustion d’une turbomachine (1) comprenant un canal interne (6) de circulation de dihydrogène et un canal annulaire externe (8) de circulation d’un mélange comprenant au moins de l’air, le canal interne (6) et le canal annulaire externe (8) étant coaxiaux, une vrille interne (14) étant logée dans le canal interne (6) et une vrille externe (28) étant logée dans le canal annulaire externe (8), et dans lequel une extrémité aval (16) du canal interne (6) est agencée en amont, à une distance r, d’une extrémité aval (24) du canal annulaire externe (8).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le canal interne (6) est un canal central tubulaire.
  3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins la vrille interne (14) du canal interne (6) présente une forme hélicoïdale.
  4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la vrille interne (14) est agencée selon l’axe longitudinal en aval de la vrille externe (28).
  5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un taux de rotation S généré par la vrille interne (14) du canal interne (6), défini comme un rapport entre une vitesse tangentielle et une vitesse débitante selon l’axe longitudinal d’un écoulement de dihydrogène en sortie de la vrille interne (14), est égal ou supérieur à 0,6.
  6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la vrille interne (14) du canal interne (6) est agencée en amont, à une distance l, de l’extrémité aval (16) du canal interne (6).
  7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une épaisseur e d’une paroi du canal interne et un diamètre interne d est tel qu’un rapport e/d est compris entre 0,05 et 0,7.
  8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le canal interne (6) a un diamètre interne d et le canal annulaire externe (8) a un diamètre interne D tels qu’un rapport D/d soit compris entre 3 et 10.
  9. Dispositif selon les revendications 6 et 7, dans lequel un rapport l/d est compris entre 1 et 3.
  10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la distance r est comprise entre 0,05D et 0,5D.
  11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la vrille externe (28) du canal annulaire externe (8) est agencée au niveau d’une extrémité amont (30) dudit canal annulaire externe (8), à une distance L de l’extrémité aval (24) du canal annulaire externe (8).
  12. Dispositif selon les revendications 8 et 11, dans lequel la distance L est comprise entre 1D et 5D.
  13. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le taux de rotation S est supérieur à 0,6, une vitesse débitante uidu dihydrogène dans le canal interne étant supérieure à une valeur critique ui,c qui vérifie la relation suivante :

    Où :
    • P est une pression dans la chambre annulaire de combustion ;
    • S est un taux de rotation généré par la vrille interne (14) du canal interne (6) ;
    • est une température de l’air en Kelvin dans le canal externe;
    • compris entre 1 et 1,5 est un facteur dépendant d’un type de vrille utilisée ;
    • S0=0.6, P0=1 bar, Ta0=300 K et ui , c0=18 m/s.
  14. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le mélange est de l’air.
  15. Ensemble comprenant le dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le canal interne (6), relié fluidiquement à des moyens d’alimentation en dihydrogène, comporte la vrille interne (14) configurée pour mettre en rotation ledit dihydrogène, et le canal annulaire externe (8), relié fluidiquement à des moyens d’alimentation en air, comporte la vrille externe (28) configurée pour mettre en rotation ledit air.
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