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EP0933594B1 - Procédé de fonctionnement d'une chambre de combustion de turbine à gaz fonctionnant au carburant liquide - Google Patents

Procédé de fonctionnement d'une chambre de combustion de turbine à gaz fonctionnant au carburant liquide Download PDF

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Publication number
EP0933594B1
EP0933594B1 EP99400141A EP99400141A EP0933594B1 EP 0933594 B1 EP0933594 B1 EP 0933594B1 EP 99400141 A EP99400141 A EP 99400141A EP 99400141 A EP99400141 A EP 99400141A EP 0933594 B1 EP0933594 B1 EP 0933594B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
fuel
fact
intake
envelope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99400141A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0933594A1 (fr
Inventor
Jean-Hervé Le Gal
Patrick Flament
Gérard Martin
Guy Grienche
Gérard Schott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP0933594A1 publication Critical patent/EP0933594A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0933594B1 publication Critical patent/EP0933594B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/44—Combustion chambers comprising a single tubular flame tube within a tubular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/58—Cyclone or vortex type combustion chambers

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion of gas turbines powered by liquid fuel.
  • Such gas turbines can be illustrated by the system shown in Figure 3.
  • This assembly includes a compressor (20) the outlet of which is connected to the inlet of the combustion chamber (1) where a liquid fuel (fuel oil or kerosene) is injected.
  • a liquid fuel fuel oil or kerosene
  • the gases burned in this chamber are then expanded in a turbine (30) which thereby provides the desired power to the main shaft which itself drives the compressor (20).
  • thermodynamic cycle of the machine In gas turbine combustion chambers, combustion at flame level is usually performed around stoichiometry as this ensures good flame stability. Wealth however global imposed by the conditions of the thermodynamic cycle of the machine is very low, on the order of 0.15 to 0.3, depending on the conditions of operation. Operating locally in or around rich conditions stoichiometry, with air preheated by the compressor, leads to locally very high temperatures in the room (around 2000 to 2500 K). The measurements showed that under these conditions, the majority of the nitrogen oxide formed was "thermal NO".
  • the so-called dry processes generally aim to achieve combustion a lean premix of air and fuel made beforehand.
  • the Patent application EP-A2-0 769 657 illustrates a system of this type.
  • the stability of combustion and ignition of the main premix are ensured by a pilot flame of small power whose role is also to ensure the machine running at idle speed.
  • the wealth in the chamber being fixed by the respective proportions of air and fuel pre-mixed, it is possible to limit the flame temperatures and therefore thermal nitrogen oxide.
  • premixed combustion technologies do not not give satisfactory results with liquid fuel.
  • this technique requires the implementation of a pilot burner allowing to ensure the stability of the flame especially in poor conditions.
  • This burner ensuring the operation of the machine during the phases of idling, it passes a fuel flow of up to almost a third of the total flow. For some applications, it works under conditions operating close to stoichiometry so under conditions unfavorable procedures from the point of view of oxide production nitrogen.
  • the present invention makes it possible in particular to resolve all of the problems discussed above. It is an alternative solution to combustion chambers operating in premix or in processes damp as mentioned above.
  • the present invention aims to achieve a diffusion flame by combining certain conditions for injecting air and liquid fuel.
  • the present invention relates to an operating method a gas turbine combustion chamber supplied with fuel liquid and air, said chamber comprising a tubular enclosure, a fuel injection means located on or near the longitudinal axis XX 'of the tubular enclosure and at least two types of air intake, the first introducing air helically around the longitudinal axis of the chamber combustion, the second inlet introducing air tangentially to the enclosure in order to create flows around the fuel jets contra rotary designed to improve the mixture of air and said fuel.
  • the fuel is injected through 5 to 12 orifices provided on the injection means, preferably between 6 and 10 orifices.
  • pressurized air is introduced inside the chamber combustion with a speed between 20 and 120 m / s.
  • the fuel is injected with a plurality of jets located along the generators of a corner cone at the top preferably between 35 ° and 45 °.
  • the fuel can also be injected through the means fuel injection system which includes a central disc located on the axis longitudinal of the tubular enclosure around which a ring is arranged pierced with holes, the surface of the ring being a truncated cone.
  • air can be introduced into the inlet tangential which includes a set of inserts distributed around the periphery of the enclosure, which direct the air tangentially to the wall of the enclosure, with a direction of rotation opposite to that of the main flow.
  • the air inlets can be dimensioned so that the air speed inside the combustion chamber is between 20 and 120 m / s.
  • the angle at the top of the injection cone is preferably between 35 ° and 45 °.
  • the combustion chamber according to the invention illustrated schematically in Figure 1, includes a tubular outer casing 1 and an inner enclosure 2 coaxial with the casing 1.
  • envelopes 1 and 2 are closed at one end where they delimit a functional space 3.
  • envelopes 1 and 2 define between they an annular space 4 for the circulation of air under pressure before to enter the combustion chamber proper.
  • the actual combustion chamber, 5, is defined by the interior volume of the enclosure 2.
  • a means for injecting fuel 6 which preferably comprises a central disc 61 located on or in the immediate vicinity of the longitudinal axis XX 'of the enclosure 2.
  • the injection means 6 comprises a set of orifices 62 arranged on a truncated cone ring.
  • from 5 to 12 jets can be created; preferably between 6 and 10. These jets are separated from each other from others and located along the generatrices of a corner cone at the top a between 30 ° and 60 °, preferably between 35 ° and 45 °.
  • the injection means 6 can operate with assistance additional air; we then obtain droplets of average diameter less than 50 micrometers.
  • the number of jets is also important. If this one is too important, there is an effect of blocking the flow by the jets of combustible. This results in an air-depleted area behind the jets, which leads to rich combustion conditions, therefore at high temperature. Yes the jets are too few, the interactions between jets decrease and we found in the case of n independent axial flames.
  • the first type introduces air helically into enclosure 2, around the longitudinal axis of the enclosure.
  • This entry 7 is here a ring around the injection means 6.
  • the second type of air intake includes peripheral inlets 8 which allow the air to be injected tangentially to the wall of the enclosure 2. A this effect of the inserts 81 as shown in FIG. 2 can be provided.
  • the inserts 81 direct the air tangentially and in the opposite direction to the first type of flow. This increases the shear between the two flows and therefore accelerate the mixing between the air and the fuel droplets.
  • the air flow at inlet 7 is between 30 and 70% air used for combustion, preferably between 40 and 50%.
  • Well heard the air flow passing through the tangential inlets 8 is the 100% complement.
  • Dilution air is introduced if necessary downstream of the combustion zone 5, through orifices made in the enclosure 2.
  • the means injection 6 advantageously comprises a central disc 61.
  • the latter allows, in combination with the rotation of the flow, generate a small internal recirculation according to the arrows A in Figure 1, at level of the injector nose 6.
  • the area 10 delimited by this recirculation is rather rich in fuel and it partly ensures the stability of the combustion.
  • the majority of the fuel is burned in poor conditions since the overall wealth in the combustion chamber 5 is between 0.4 and 0.8. It is recalled here that a separate flame burner operates around stoichiometry or with a slight excess of air.
  • thermodynamic cycle of this imposes operation under pressure which can vary from approximately 2 to approximately 30 bars.
  • the residence times in the combustion chamber 5 according to the invention are commonly less than 50 milliseconds, which leads to heating densities of between 50 and 200 MW / m 3 .
  • the heating densities in the field of boiler burners are rather less than 1 MW / m 3 , with residence times of the order of a second.
  • the figure 3 shows in longitudinal section a turbo-compressor assembly likely to implement the invention; this figure was commented on in description head.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

La présente invention concerne le domaine des chambres de combustion de turbines à gaz fonctionnant au carburant liquide.
De telles turbines à gaz peuvent être illustrées par le système représenté sur la figure 3. Cet ensemble comprend un compresseur (20) dont la sortie est reliée à l'entrée de la chambre de combustion (1) où un carburant liquide (fioul ou kérosène) est injecté. Les gaz brûlés dans cette chambre sont ensuite détendus dans une turbine (30) qui fournit ainsi la puissance souhaitée à l'arbre principal qui lui-même entraíne le compresseur (20).
De façon connue, la combustion dans ce type de turbines à gaz amène à la formation d'oxydes d'azote qui ont diverses origines :
  • le "prompt" NO résulte de réactions rapides complexes entre le fuel et l'azote de l'air. Il est formé en un temps très court généralement bien inférieur à la milliseconde.
  • Le "fuel" NO est produit par des réactions entre l'azote contenu dans le carburant sous forme N et l'oxygène de l'air. Ce type d'oxyde d'azote est principalement formé en milieu pauvre, lorsque l'air est en excès par rapport au carburant.
  • L'oxyde d'azote thermique est produit à haute température, à partir de l'azote de l'air N2. L'oxyde d'azote est couramment produit à des températures supérieures à 1500°C, compte tenu des temps de séjour dans la chambre de combustion, qui est alors de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes. La vitesse des réactions conduisant à l'azote thermique croít exponentiellement en fonction de la température.
C'est ce dernier type d'azote qui pose problème, comme il va être exposé ci-après.
Dans les chambres de combustion de turbine à gaz, la combustion au niveau de la flamme est généralement réalisée autour de la stoechiométrie car cela assure une bonne stabilité de la flamme. Cependant la richesse globale imposée par les conditions du cycle thermodynamique de la machine est très faible, de l'ordre de 0,15 à 0,3, selon les conditions de fonctionnement. Le fait d'opérer localement en conditions riches ou autour de la stoechiométrie, avec de l'air préchauffé par le compresseur, conduit à des températures localement très élevées dans la chambre (de l'ordre de 2000 à 2500 K). Les mesures ont montré que dans ces conditions, la majorité de l'oxyde d'azote formé était du "NO thermique".
Plusieurs solutions sont connues pour diminuer les émissions d'oxydes d'azote. On peut globalement les classer en deux grands types :
  • les procédés humides basés sur l'injection de vapeur ou d'eau dans la chambre de combustion.
  • les procédés dits secs qui sont basés sur une amélioration des conditions de combustion.
Les procédés humides donnent des résultats assez satisfaisants du point de vue technique mais sont souvent plus complexes, plus difficiles à mettre en oeuvre, que les procédés secs.
En outre il sont plus coûteux que les procédés secs à cause de la vapeur d'eau nécessairement injectée soit dans le liquide soit dans la phase gazeuse.
Les procédés dits secs visent généralement à réaliser la combustion d'un prémélange pauvre d'air et de carburant réalisé préalablement. La demande de brevet EP-A2-0 769 657 illustre un système de ce type. La stabilité de la combustion et l'allumage du prémélange principal sont assurés par une flamme pilote de petite puissance dont le rôle est aussi d'assurer le fonctionnement de la machine au régime de ralenti. La richesse dans la chambre étant fixée par les proportions respectives d'air et de carburant prémélangées, il est possible de limiter les températures de flamme et donc l'oxyde d'azote thermique.
Cette technologie peut être mise en oeuvre assez facilement avec un carburant gazeux. Dans le cas d'un carburant liquide, le problème est plus complexe puisqu'il est nécessaire de le vaporiser avant son mélange avec l'air. L'évaporation peut être réalisée en évaporant un film liquide sur une paroi chaude ou en injectant le carburant sous forme de spray dans un conduit où il se mélange avec l'air : c'est le cas du document européen précité.
Actuellement, les technologies de combustion avec prémélange ne donnent pas de résultats satisfaisants avec du carburant liquide. De plus, cette technique nécessite la mise en oeuvre d'un brûleur pilote permettant d'assurer la stabilité de la flamme notamment dans des conditions pauvres. Ce brûleur assurant le fonctionnement de la machine durant les phases de ralenti, il y passe un débit de carburant pouvant atteindre près du tiers du débit total. Pour certaines applications, il fonctionne dans des conditions opératoires proches de la stoechiométrie donc dans des conditions opératoires défavorables du point de vue de la production des oxydes d'azote.
La présente invention permet de résoudre notamment l'ensemble des problèmes évoqués ci-dessus. Il s'agit d'une solution alternative aux chambres de combustion fonctionnant en prémélange ou aux procédés humides tels qu'évoqués ci-avant.
La présente invention vise à réaliser une flamme de diffusion en combinant certaines conditions d'injection de l'air et du carburant liquide.
Il existe déjà des flammes de diffusion dans d'autres domaines techniques que celui des chambres de combustion de turbines à gaz. Les brûleurs pour chaudières tels que décrits par exemple dans le brevet FR 2 656 676 permettent de créer des flammes de diffusion. De même le brevet US 5 562 437 divulgue ce type de structure adapté toutefois à un brûleur de chaudière.
Cependant dans ce type de combustion, les conditions opératoires sont fondamentalement différentes.
  • Les richesses sont beaucoup plus fortes dans les brûleurs que dans les turbines. Les brûleurs opèrent autour de la stoechiométrie ou avec un léger excès d'air alors que la richesse globale dans les chambres de turbines est habituellement comprise entre 0,15 et 0,35.
  • La combustion est opérée sous pression (celle de la sortie du compresseur) alors que les brûleurs fonctionnent à la pression atmosphérique.
  • Par ailleurs les densités de chauffe sont largement supérieures dans les chambres de combustion de turbines, couramment plusieurs dizaines de fois supérieures.
On connaít aussi des techniques de flammes élémentaires dans le domaine des brûleurs pour essais de puits pétroliers. Là encore les conditions de fonctionnement sont très différentes notamment la pression qui est ici la pression atmosphérique. La demande de brevet français FR 2 741 424 décrit un brûleur de ce type.
Ces conditions de fonctionnement différentes imposent des contraintes et donc des structures spécifiques adaptées à ces fonctions particulières.
La présente invention a pour objet un procédé de fonctionnement d'une chambre de combustion de turbine à gaz alimentée avec un carburant liquide et de l'air, ladite chambre comprenant une enceinte tubulaire, un moyen d'injection du carburant situé sur ou à proximité de l'axe longitudinal XX' de l'enceinte tubulaire et au moins deux types d'entrée d'air, la première introduisant l'air hélicoïdalement autour de l'axe longitudinal de la chambre de combustion, la deuxième entrée introduisant l'air tangentiellement à l'enceinte afin de créer autour des jets de combustible des écoulements contra rotatifs destinés à améliorer le mélange de l'air et dudit combustible..
Selon l'invention :
  • on injecte le carburant avec une pluralité de jets séparés les uns des autres et situés suivant les génératrices d'un cône d'angle au sommet compris entre 30° et 60°;
  • on introduit l'air avec une pression comprise entre 2 et 30 bars;
  • on réalise un mélange air sous pression/carburant avec une richesse comprise entre environ 0,4 et environ 0,8 et
  • le temps de séjour des fluides à l'intérieur de l'enceinte est inférieur à 50 millisecondes.
De façon particulière, on introduit de 30% à 70% de la quantité totale d'air sous pression utilisé pour la combustion par la première entrée d'air, le reste étant introduit à travers la deuxième entrée d'air.
Conformément à l'invention, on injecte le carburant au travers de 5 à 12 orifices prévus sur le moyen d'injection, de préférence entre 6 et 10 orifices.
Par ailleurs, on introduit l'air sous pression à l'intérieur de la chambre de combustion avec une vitesse comprise entre 20 et 120 m/s.
En outre, on dispose les entrées d'air et le moyen d'injection de telle sorte que l'on obtienne un nombre de swirl N compris entre 0,2 et 0,4 ; N étant défini par :
Figure 00060001
où :
  • R1 et R2 sont respectivement les rayons intérieur et extérieur de l'entrée d'air (7), exprimés en mètres;
  • ρ est la masse volumique de l'air en kg/m3;
  • Vax est la vitesse axiale du fluide à la sortie de l'entrée (7);
  • Vtg est la vitesse tangentielle du fluide à la sortie de l'entrée (7) ; les vitesses étant exprimées en m/s.
    • Selon une particularité de l'invention, on injecte le carburant avec une pluralité de jets situés suivant les génératrices d'un cône d'angle au sommet compris préférentiellement entre 35° et 45°.
    On peut également injecter le carburant au travers du moyen d'injection de carburant qui comprend un disque central situé sur l'axe longitudinal de l'enceinte tubulaire autour duquel est disposé un anneau percé d'orifices, la surface de l'anneau étant un tronc de cône.
    De manière avantageuse, on peut introduire l'air dans l'entrée tangentielle qui comprend un ensemble d'inserts répartis sur la périphérie de l'enceinte, qui dirigent l'air tangentiellement à la paroi de l'enceinte, avec un sens de rotation contraire à celui de l'écoulement principal.
    Les entrées d'air peuvent être dimensionnées de façon à ce que la vitesse de l'air à l'intérieur de la chambre de combustion soit comprise entre 20 et 120 m/s.
    Par ailleurs, l'angle au sommet du cône d'injection est préférentiellement compris entre 35° et 45°.
    D'autres caractéristiques, détails, avantages de l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description faite ci-après à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • La figure 1 est une coupe longitudinale simplifiée d'une chambre de combustion selon l'invention;
    • La figure 2 est une coupe schématique d'un détail de l'invention selon II de la figure 1; et
    • La figure 3 est une coupe longitudinale simplifiée d'un turbo-compresseur mettant en oeuvre l'invention.
    La chambre de combustion selon l'invention, illustrée schématiquement par la figure 1, comprend un carter extérieur tubulaire 1 et une enceinte intérieure 2 coaxiale au carter 1.
    Les deux enveloppes sont fermées à une extrémité où elles délimitent un espace fonctionnel 3. En outre, les enveloppes 1 et 2 définissent entre elles un espace annulaire 4 pour la circulation de l'air sous pression avant d'entrer dans la chambre de combustion proprement dite.
    La chambre de combustion proprement dite, 5, est définie par le volume intérieur de l'enceinte 2.
    Au fond de la chambre 5 est disposé un moyen d'injection de carburant 6 qui comprend préférentiellement un disque central 61 situé sur ou à proximité immédiate de l'axe longitudinal XX' de l'enceinte 2. Par ailleurs le moyen d'injection 6 comprend un ensemble d'orifices 62 disposés sur un anneau en tronc de cône. Avantageusement, de 5 à 12 jets peuvent être créés ; préférentiellement entre 6 et 10. Ces jets sont séparés les uns des autres et situés selon les génératrices d'un cône d'angle au sommet a compris entre 30° et 60°, préférentiellement entre 35° et 45°.
    Le moyen d'injection 6 peut fonctionner avec une assistance supplémentaire en air ; on obtient alors des gouttelettes de diamètre moyen inférieur à 50 micromètres.
    L'intérêt de réaliser une flamme à jets séparés est multiple. Cette flamme ne se comporte pas comme plusieurs flammes axiales indépendantes. Il y a tout d'abord des interactions de type thermique entre les différents jets avec une modification des écoulements entre les jets et donc des conditions stoechiométriques locales. Ces conditions dépendent bien évidemment de l'angle existant entre les jets.
    Plus cet angle est petit, plus la flamme se rapproche d'une flamme axiale de diffusion, dont on sait que les performances du points de vue des émissions de Nox sont mauvaises puisque le carburant se mélange mal avec l'air.
    Si l'angle augmente trop, le risque est de projeter des gouttelettes le long des parois. Il peut en résulter la formation de coke ou formation d'imbrûlés et de CO dans le cas où les parois sont refroidies et donc les températures basses.
    Le nombre de jets a aussi son importance. Si celui-ci est trop important, on observe un effet de blocage de l'écoulement par les jets de combustible. Il en résulte une zone appauvrie en air derrière les jets, ce qui conduit à des conditions de combustion riches, donc à haute température. Si les jets sont trop peu nombreux, les interactions entre jets diminuent et on se retrouve dans le cas de n flammes axiales indépendantes.
    Par ailleurs, deux types d'entrée d'air sous pression sont prévus, situés tous deux du côté de l'espace fonctionnel 3.
    Le premier type introduit de l'air hélicoïdalement dans l'enceinte 2, autour de l'axe longitudinal de l'enceinte. Cette entrée 7 est ici un anneau autour du moyen d'injection 6. On parle d'air "swirlé axial". Des ailettes inclinées 71 peuvent être disposées dans l'anneau afin d'imprimer à cet air une quantité de mouvement tangentielle.
    Le deuxième type d'entrée d'air comprend des arrivées périphériques 8 qui permettent d'injecter l'air tangentiellement à la paroi de l'enceinte 2. A cet effet des inserts 81 telles que montrés sur la figure 2 peuvent être prévus.
    Les inserts 81 dirigent l'air tangentiellement et en sens contraire du premier type d'écoulement. Ceci permet d'augmenter le cisaillement entre les deux écoulements et donc d'accélérer le mélange entre l'air et les gouttelettes de combustible.
    Pour obtenir une flamme stable dans de bonnes conditions de richesse, le débit d'air au niveau de l'entrée 7 est compris entre 30 et 70% de l'air servant à la combustion, préférentiellement entre 40 et 50%. Bien entendu le débit d'air passant par les entrées tangentielles 8 est le complément à 100%. L'air de dilution est introduit si nécessaire en aval de la zone de combustion 5, à travers des orifices pratiqués dans l'enceinte 2.
    Concernant la stabilité de la flamme de combustion, le moyen d'injection 6 comprend avantageusement un disque central 61. Celui-ci permet, en combinaison avec la mise en rotation de l'écoulement, de générer une petite recirculation interne selon les flèches A de la figure 1, au niveau du nez de l'injecteur 6. La zone 10 délimitée par cette recirculation, est plutôt riche en combustible et elle assure en partie la stabilité de la combustion. Toutefois, comme énoncé plus haut, la majorité du carburant est brûlé dans des conditions pauvres puisque la richesse globale dans la chambre de combustion 5 est comprise entre 0,4 et 0,8. Il est ici rappelé qu'un brûleur à flammes séparées opère autour de la stoechiométrie ou avec un léger excès d'air.
    Les entrées d'air 7, 8 et le moyen d'injection 6 sont disposés de telle sorte que le nombre de swirl, N, est préférentiellement compris entre 0,2 et 0,4. Le nombre de swirl, N, étant défini par
    Figure 00110001
    où :
  • R1 et R2 sont respectivement les rayons intérieur et extérieur de l'entrée d'air (7), exprimés en mètres;
  • ρ est la masse volumique de l'air en kg/m3;
  • Vax est la vitesse axiale du fluide à la sortie de l'entrée (7);
  • Vtg est la vitesse tangentielle du fluide à la sortie de l'entrée (7) ; Les vitesses sont exprimées en m/s.
    • La chambre de combustion 5 selon l'invention étant adaptée à fonctionner avec une turbine, le cycle thermodynamique de celle-ci impose un fonctionnement sous une pression qui peut varier d'environ 2 à environ 30 bars.
    Vis-à-vis d'un brûleur fonctionnant à la pression atmosphérique, ceci modifie la masse volumique de l'air et donc le rapport des masses volumiques entre l'air et le carburant, rapport qui peut être multiplié par dix. Les conditions de mélange et d'évaporation sont de ce fait notablement différentes.
    En outre, les temps de séjour dans la chambre de combustion 5 selon l'invention sont couramment inférieurs à 50 millisecondes, ce qui conduit à des densités de chauffe comprises entre 50 et 200 MW/m3.
    A titre de comparaison, les densités de chauffe dans le domaine des brûleurs de chaudière sont plutôt inférieures à 1 MW/m3, avec des temps de séjour de l'ordre de la seconde.
    Les conditions particulières de fonctionnement de la présente invention conduisent à des vitesses de l'air comprises entre 20 et 120 m/s vu le dimensionnement des première et deuxième entrées d'air.
    Afin de mieux illustrer une application préférée de l'invention, la figure 3 montre en coupe longitudinale un ensemble turbo-compresseur susceptible de mettre en oeuvre l'invention ; cette figure a été commentée en tête de la description.

    Claims (8)

    1. Procédé de fonctionnement d'une chambre de combustion de turbine à gaz alimentée avec un carburant liquide et de l'air, ladite chambre comprenant une enceinte tubulaire (2), un moyen (6) d'injection du carburant situé sur ou à proximité de l'axe longitudinal XX' de l'enceinte tubulaire et au moins deux types d'entrée d'air (7, 8), la première (7) introduisant l'air hélicoïdalement autour de l'axe longitudinal de la chambre de combustion, la deuxième entrée (8) introduisant l'air tangentiellement à l'enceinte (2) afin de créer autour des jets de combustible des écoulements contra rotatifs destinés à améliorer le mélange de l'air et dudit combustible, caractérisé en ce qu'on injecte le carburant avec une pluralité de jets séparés les uns des autres et situés suivant les génératrices d'un cône d'angle au sommet compris entre 30° et 60°, en ce qu'on introduit l'air avec une pression comprise entre 2 et 30 bars, en ce qu'on réalise un mélange air sous pression/carburant avec une richesse comprise entre environ 0,4 et environ 0,8 et en ce que le temps de séjour des fluides à l'intérieur de l'enceinte (2) est inférieur à 50 millisecondes.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on introduit de 30% à 70% de la quantité totale d'air sous pression utilisé pour la combustion par la première entrée d'air (7), le reste étant introduit à travers la deuxième entrée d'air (8).
    3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'on injecte le carburant au travers de 5 à 12 orifices (62) prévus sur le moyen d'injection (6), de préférence entre 6 et 10 orifices.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on introduit l'air sous pression à l'intérieur de la chambre de combustion avec une vitesse comprise entre 20 et 120 m/s.
    5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on dispose les entrées d'air (7, 8) et le moyen d'injection (6) de telle sorte que l'on obtienne un nombre de swirl N compris entre 0,2 et 0,4 ; N étant défini par :
      Figure 00140001
      où:
      R1 et R2 sont respectivement les rayons intérieur et extérieur de l'entrée d'air (7), exprimés en mètres;
      ρ est la masse volumique de l'air en kg/m3;
      Vax est la vitesse axiale du fluide à la sortie de l'entrée (7);
      Vtg est la vitesse tangentielle du fluide à la sortie de l'entrée (7) ; les vitesses étant exprimées en m/s.
    6. Procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on injecte le carburant avec une pluralité de jets situés suivant les génératrices d'un cône d'angle au sommet compris préférentiellement entre 35° et 45°.
    7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte le carburant au travers du moyen d'injection de carburant (6) qui comprend un disque central (61) situé sur l'axe longitudinal XX' de l'enceinte tubulaire, autour duquel est disposé un anneau percé desdits orifices (62), la surface de l'anneau étant un tronc de cône.
    8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit l'air dans l'entrée tangentielle (8) qui comprend un ensemble d'inserts répartis sur la périphérie de l'enceinte (2) qui dirigent l'air tangentiellement à la paroi de l'enceinte (2), avec un sens de rotation contraire à celui de l'écoulement principal.
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