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FR2965894A1 - Dispositif de combustion a systeme d'injection de combustible pauvre en amont des buses - Google Patents

Dispositif de combustion a systeme d'injection de combustible pauvre en amont des buses Download PDF

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Abstract

Dispositif de combustion (100) pour brûler un flux de combustible et un flux d'air. Le dispositif de combustion (100) peut comprendre un certain nombre de buses (120) de combustible, un système d'injection (270) de combustible pauvre en amont des buses, placé en amont des buses (120) de combustible, et un volume annulaire de prémélange (250) placé entre les buses (120) de combustible et le système d'injection (270) de combustible pauvre en amont des buses, pour prémélanger le flux de combustible et le flux d'air.

Description

B 11-4225FR 1 Dispositif de combustion à système d'injection de combustible pauvre en amont des buses
La présente demande porte globalement sur les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, concerne un dispositif de combustion à système d'injection de combustible pauvre en amont des buses pour mélanger un combustible et de l'air en amont des buses de combustible. Dans un moteur à turbine à gaz, le rendement augmente globalement à mesure que s'élève la température du courant de combustion. Cependant, des températures plus élevées du courant de combustion risquent de produire une élévation des niveaux d'oxydes d'azote ("NOx") et d'autres types d'émissions susceptibles de faire l'objet de réglementations. I1 existe donc un compromis entre le fonctionnement du moteur à turbine à gaz dans une plage de températures efficaces et l'assurance que la production de NOx et autres types d'émissions soumises à des réglementations reste inférieure aux niveaux imposés. Plusieurs types de modèles de moteurs à turbine à gaz selon la technique antérieure, tels que ceux utilisant des dispositifs de combustion à bas NOx par voie sèche ("DLN") effectuent généralement un prémélange des flux de combustible et des flux d'air en amont d'une zone de réaction ou de combustion de manière à réduire les émissions de NOx par l'intermédiaire d'un certain nombre de buses de combustible de prémélange. Ce prémélange a tendance à réduire les températures globales de combustion et, de ce fait, les émissions de NOx et autres. Cependant, le prémélange risque de poser plusieurs problèmes de fonctionnement tels que la rétention de flamme, le retour de flamme, l'auto-allumage et autres. Ces problèmes peuvent être particulièrement préoccupants si on utilise des combustibles hautement réactifs. Par exemple, il se peut qu'une flamme soit entretenue dans l'extrémité avant en amont des buses de combustible avec n'importe quelle fraction notable d'hydrogène ou d'autres types de combustibles. Ainsi, n'importe quelle poche riche en combustible peut entretenir une flamme et provoquer un endommagement du dispositif de combustion. D'autres problèmes liés au prémélange peuvent être dus à des irrégularités dans les flux de combustible et les flux d'air. Un modèle de dispositif de combustion perfectionné est donc souhaitable. Un tel modèle de dispositif de combustion doit favoriser une amélioration du prémélange de combustible et d'air, en particulier lorsqu'on utilise des combustibles hautement réactifs.
De tels modèles de dispositifs de combustion doivent favoriser ce bon mélange tout en maintenant les émissions au-dessous des niveaux légaux et en évitant ou en limitant des problèmes tels que la rétention de flamme, le retour de flamme, l'auto-allumage et autres.
Ainsi, la présente demande propose un dispositif de combustion servant à brûler un flux de combustible et un flux d'air. Le dispositif de combustion peut comprendre un certain nombre de buses de combustible, un système d'injection de combustible pauvre en amont des buses, situé en amont des buses de combustible, et un volume annulaire de prémélange placé entre les buses de combustible et le système d'injection de combustible pauvre en amont des buses afin de réaliser un prémélange du flux de combustible et du flux d'air. La présente invention concerne en outre un procédé pour réaliser un certain nombre de flux de combustible et un flux d'air dans un dispositif de combustion. Le procédé peut comprendre les étapes d'injection d'un flux de combustible de prémélange dans un volume annulaire de prémélange, l'introduction du flux d'air dans le volume annulaire de prémélange, le prémélange du flux du combustible de prémélange et du flux d'air pour créer un flux prémélangé dans le volume annulaire de prémélange, l'envoi du flux prémélangé à un certain nombre de buses de combustible et l'injection d'un autre flux de combustible dans le flux prémélangé le long du certain nombre buses de combustible.
La présente invention propose en outre un dispositif de combustion pour brûler un flux de combustible et un flux d'air. Le dispositif de combustion peut comprendre un certain nombre de buses de combustible, chacune des buses de combustible comportant un orifice évasé, un système d'injection de combustible pauvre en amont des buses, placé en amont des buses de combustible, et un volume annulaire de prémélange placé entre les buses de combustible et le système d'injection de combustible pauvre en amont des buses afin de prémélanger le flux de combustible et le flux d'air. Le volume annulaire de prémélange peut s'étendre dans la direction des buses de combustible. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue latérale en coupe d'un dispositif de combustion selon la technique antérieure ; - la figure 3 est une vue latérale en coupe d'un dispositif de combustion à système d'injection de combustible pauvre en amont des buses, selon l'invention ; et - la figure 4 est une vue latérale en coupe d'une buse de combustible destinée à servir avec le dispositif de combustion à système d'injection de combustible pauvre en amont des buses de la figure 3.
Considérant maintenant les dessins, sur lesquels les mêmes repères désignent des éléments identiques sur toutes les différentes vues, la figure 1 représente une vue schématique d'un moteur 10 à turbine à gaz tel qu'il peut être décrit ici. Le moteur 10 à turbine à gaz peut comprendre un compresseur 15. Le compresseur 15 mélange le flux comprimé d'air 20 avec un flux comprimé de combustible 30 et enflamme le mélange pour créer un flux de gaz de combustion 35. Bien qu'un seul dispositif de combustion 25 soit représenté, le moteur 10 à turbine à gaz peut comprendre n'importe quel nombre de dispositifs de combustion 25. Le flux de gaz de combustion 35 est à son tour fourni à une turbine 40. Le flux de gaz de combustion 35 entraîne la turbine 40 de manière à produire un travail mécanique. Le travail mécanique produit dans la turbine 40 entraîne le compresseur 15 et une charge externe 45 telle qu'un générateur électrique ou autre.
Le moteur 10 à turbine à gaz peut utiliser du gaz naturel, divers types de gaz de synthèse et/ou d'autres types de combustible. Le moteur 10 à turbine à gaz peut être n'importe lequel parmi un certain nombre de moteurs à turbine à gaz différents proposés par General Electric Company. Le moteur 10 à turbine à gaz peut avoir différentes configurations et peut utiliser d'autres types d'organes. D'autres types de moteurs à turbine à gaz peuvent également être utilisés ici. De multiples moteurs à turbine à gaz, d'autres types de turbines et d'autres types d'équipements de production d'électricité peuvent également être utilisés ici ensemble.
La figure 2 représente un exemple simplifié d'un dispositif de combustion 25 selon la technique antérieure. Dans ses grandes lignes, le dispositif de combustion 25 peut comprendre une chambre de combustion 50 dans laquelle sont placées un certain nombre de buses 55 de combustible. Les buses 55 de combustible peuvent être des buses de prémélange munies d'une ou de plusieurs vrilles 60. Les vrilles 60 facilitent le prémélange du flux d'air 20 et du flux de combustible 30 en créant des tourbillons. Un passage d'air entrant 65 peut être défini entre une chemise 70 de la chambre de combustion 50 et une enveloppe 75. Une pièce de transition 80 peut être installée en aval de la chambre de combustion 50. On connaît d'autres types de configurations de systèmes de combustion. Le flux d'air 20 peut entrer dans le dispositif de combustion 25 depuis le compresseur 15 via le passage d'air entrant 65. Le flux d'air 20 peut inverser son sens d'écoulement et peut être prémélangé autour des buses 55 de combustible et des vrilles 60 avec le flux de combustible 30. Le flux d'air 20 et le flux de combustible 30 en mélange peuvent être brûlés dans la chambre de combustion 50. Le flux de gaz de combustion 35 peut ensuite être rejeté vers la turbine 40 par l'intermédiaire de la pièce de transition 80. Selon la nature du dispositif de combustion 25, le dispositif de combustion 25 peut utiliser un combustible primaire, lequel peut être un gaz combustible passant par les vrilles 60, un combustible secondaire et un combustible tertiaire qui peuvent être un gaz combustible de prémélange ; et un système d'injection de combustible pauvre en amont des buses, qui peut injecter une petite quantité de combustible juste en amont des vrilles 60. On connaît également d'autres types de circuits de combustible et d'autres configurations. Les figures 3 et 4 représentent un dispositif de combustion 100 tel qu'il peut être décrit ici. Comme le dispositif de combustion 25 décrit plus haut, le dispositif de combustion 100 comprend une chambre de combustion 110 dans laquelle sont placées un certain nombre de buses 120 de combustible. Dans le présent exemple, une buse centrale 130 peut être entourée par un certain nombre de buses extérieures 140. N'importe quel nombre de buses 120 de combustible peuvent être utilisées ici. Dans leurs grandes lignes, chacune des buses 120 de combustible peut comporter un passage central 150 de combustible, généralement pour un combustible liquide. Les buses 120 de combustible peuvent également comporter un certain nombre d'injecteurs 160 de combustible. Les injecteurs 160 de combustible peuvent être placés autour d'une ou de plusieurs vrilles 170. Les injecteurs 160 de combustible peuvent être utilisés avec un combustible de prémélange ou autre. On peut utiliser ici d'autres types de circuits de combustible. Les buses 120 de combustible peuvent également comporter, à une extrémité amont de celles-ci, un orifice évasé pour le flux d'air entrant 20. On peut utiliser n'importe quel nombre ou forme d'orifices évasés 180. Le dispositif de combustion 100 comprend également un passage d'air entrant 200. Le passage d'air entrant 200 peut être défini entre une chemise ou un déflecteur 210 de calotte et une enveloppe 220. Le déflecteur 210 de calotte peut être fixé à une calotte 230 d'extrémité et peut s'étendre sous une forme évasée 245 en direction d'un capot 240 d'extrémité. De même, l'enveloppe 220 peut être évasée de façon que l'enveloppe 220 ait un plus grand diamètre dans la direction de l'écoulement vers le capot 240 d'extrémité. Le déflecteur 210 de calotte et l'enveloppe 220 peuvent définir un volume annulaire de prémélange 250. Ainsi, l'ensemble du volume annulaire de prémélange 250 s'étend également vers le capot 240 d'extrémité. Le volume annulaire de prémélange 250 peut avoir un tronçon coudé lisse 260 autour du capot 240 d'extrémité, vers les buses 120 de combustible. Le volume annulaire de prémélange 250 peut réaliser une diffusion ou non. D'autres configurations peuvent être employées ici.
Un système d'injection 270 de combustible pauvre en amont des buses peut également être placé autour du passage 200 d'air entrant entre le déflecteur 210 de calotte et l'enveloppe 220 autour de la calotte 230 d'extrémité. Le système d'injection 270 de combustible pauvre en amont des buses peut avoir un certain nombre d'injecteurs 280 de combustible. Les injecteurs 280 de combustible peuvent avoir une forme aérodynamique 285 ressemblant à des ailes ou une forme profilée 285 afin de parvenir à une résistance optimale à la rétention de flammes. Chacun des injecteurs 280 de combustible peut avoir un certain nombre de trous d'injection 290. Le nombre d'injecteurs 280 de combustible et le nombre de trous d'injection 290 peut être rendu optimal pour le prémélange. D'autres configurations peuvent être employées ici. Un combustible de prémélange 300 peut s'écouler dans ceux-ci. Lors de l'utilisation, le combustible de prémélange 300 est injecté par l'intermédiaire des injecteurs 280 du système d'injection 270 de combustible pauvre en amont des buses, dans le flux entrant d'air 20 empruntant le passage 200 d'air entrant. La forme aérodynamique 285 analogue à des ailes des injecteurs 280 de combustible limite très fortement le risque de rétention de flamme sur ou en arrière des injecteurs 280. Le combustible de prémélange 300 et le flux d'air 200 se prémélangent donc pour constituer un courant prémélangé 310 le long du volume annulaire de prémélange 250. Comme le déflecteur 210 de calotte et l'enveloppe 220 s'étendent en direction du capot 240 d'extrémité, le volume annulaire de prémélange 250 ralentit l'air et récupère une partie de la pression statique. Cette forme évasée permet donc une plus grande diffusion qu'une enveloppe cylindrique classique. Le prémélange supprime également les poches de combustible riche qui risqueraient d'entretenir une flamme. La longueur du volume annulaire de prémélange 250, ainsi que le nombre et l'espacement des injecteurs 280 assurent donc un meilleur prémélange dans le volume annulaire de prémélange 250. Le courant prémélangé 310 sera entièrement mélangé avant de sortir du volume annulaire 250. Le courant prémélangé 310 tourne ensuite en empruntant le tronçon coudé 260 et pénètre dans les buses 120 de combustible. Comme le flux d'air 200 ralentit dans le volume annulaire de prémélange 250, le courant prémélangé 310 tourne facilement dans le tronçon coudé 260 pour entrer dans les buses 120 de combustible sans recirculation ni manques de flux. De la sorte, les buses 120 de combustible peuvent utiliser les orifices évasés 180, à la différence d'un conditionneur de flux classique, ce qui peut aboutir à une plus faible chute de pression. Le courant prémélangé 310 se mélange encore avec le flux classique de combustible 30 provenant des injecteurs 160 de combustible ou d'une autre manière avant d'être brûlé dans la chambre de combustion 110. Le volume annulaire de prémélange 250 peut permettre l'écoulement d'un grand pourcentage du flux de combustible sans conséquence négative en ce qui concerne les émissions. De même, en déchargeant les buses 120 de combustible, c'est-à-dire en écartant le combustible, on peut aussi améliorer les performances globales des buses de combustible en ce qui concerne la rétention de flamme. La possibilité de moduler dans une large mesure le pourcentage de combustible fourni au système d'injection 270 de combustible pauvre en amont des buses peut assurer une maîtrise du rapport de pression de manière à faire face à des fluctuations dans la composition du combustible. Le rapport de pression global des buses 120 de combustible peut être optimisé du point de vue de la dynamique sans modifier le rapport équivalent et autres des buses.De plus, il est également possible de réduire les dimensions des injecteurs 160 de combustible. L'utilisation des injecteurs 280 de combustible du système d'injection 270 de combustible pauvre en amont des buses, ainsi que du volume annulaire de prémélange 250, réduit donc les émissions de NOx, réduit la chute de pression et assure une souplesse accrue quant au combustible en ce qui concerne la capacité de IWM (Indice de Wobbe Modifié) et la réactivité du combustible. Ainsi, le système d'injection 270 de combustible pauvre en amont des buses peut être souple quant au combustible notamment dans le cas de l'utilisation de combustibles hautement réactifs tels que l'hydrogène, l'éthane, le propane, etc.
Liste des repères 10 Moteur à turbine à gaz 15 Compresseur 20 Flux d'air 25 Dispositif de combustion 30 Flux de combustible 35 Flux de gaz de combustion 40 Turbine 45 Charge 50 Chambre de combustion 55 Buses de combustible 60 Vrilles 65 Passage d'air 70 Chemise 75 Enveloppe 80 Pièce de transition 100 Dispositif de combustion 110 Chambre de combustion 120 Buses de combustible 130 Buse centrale 140 Buses extérieures 150 Passage de combustible 160 Injecteurs de combustible 170 Vrilles 180 Orifice évasé 200 Passage d'air 210 Déflecteur de calotte 220 Enveloppe 230 Calotte d'extrémité 240 Capot d'extrémité 245 Forme conique 250 Volume annulaire de prémélange 260 Tronçon coudé 270 Système d'injection de combustible pauvre en amont des buses 280 Injecteurs de combustible 285 Forme aérodynamique analogue à des ailes 290 Trous d'injection 300 Combustible de prémélange 310 Courant prémélangé

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de combustion (100) pour brûler un flux de combustible (30) et un flux d'air (20), comprenant : une pluralité de buses (120) de combustible ; un système d'injection (270) de combustible pauvre en amont des buses, placé en amont de la pluralité de buses (120) de combustible ; et un volume annulaire de prémélange (250) disposé entre la pluralité de buses (120) de combustible et le système d'injection (270) de combustible pauvre en amont des buses pour prémélanger le flux de combustible (30) et le flux d'air (20).
  2. 2. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel chaque buse de la pluralité de buses (120) de combustible comporte un injecteur (160) de combustible et une vrille (170).
  3. 3. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel chaque buse de la pluralité de buses (120) de combustible comporte une pluralité de buses extérieures (140) de combustible.
  4. 4. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de buses (120) de combustible comportent un orifice évasé (180).
  5. 5. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, comprenant en outre un déflecteur (210) de calotte et une enveloppe (220), le déflecteur (210) de calotte et l'enveloppe (220) définissant le volume annulaire de prémélange (250).
  6. 6. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 5, dans lequel le déflecteur (210) de calotte et l'enveloppe (220) ont une forme évasée (245) qui s'étend vers la pluralité de buses (120) de combustible.
  7. 7. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel le volume annulaire de prémélange (250) comporte un tronçon coudé lisse (260) adjacent à la pluralité de buses (120) de combustible.
  8. 8. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel le système d'injection (270) de combustible pauvre en amont des buses comporte une pluralité d'injecteurs (280) de combustible.
  9. 9. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 8, dans lequel chaque injecteur de la pluralité d'injecteurs (280) de combustible comporte une forme aérodynamique (285) analogue à des ailes.
  10. 10. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 8, dans lequel chaque injecteur de la pluralité d'injecteurs (280) de combustible comporte une pluralité de trous d'injection (290).
  11. 11. Procédé créant un certain nombre de flux de combustible (30) et un flux d'air (20) dans un dispositif de combustion (100), comprenant : l'injection d'un flux de combustible (300) de prémélange dans un volume annulaire de prémélange (250) ; l'introduction du flux d'air (20) dans le volume annulaire de prémélange (250) ; le prémélange du flux de combustible de prémélange (300) et du flux d'air (20) pour créer un flux prémélangé (310) le long du volume annulaire de prémélange (250) ; la fourniture du flux prémélangé (310) à un certain nombre de buses (120) de combustible ; et l'injection d'un autre flux de combustible (30) dans le flux prémélangé (310) le long du certain nombre de buses (120) de combustible.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'étape de prémélange du flux de combustible de prémélange (300) et du flux d'air (20) pour créer le flux prémélangé (310) le long du volume annulaire de prémélange (250) comporte le déploiement du flux prémélangé (310) le long du volume annulaire de prémélange (250).
  13. 13. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape d'inversion de la circulation du flux prémélangé (310) dans un tronçon coudé (260) du volume annulaire de prémélange (250).
  14. 14. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape de passage du flux prémélangé (310) par une vrille (170).
  15. 15. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape de modification d'une quantité du combustible de prémélange (300) et de l'autre combustible (30).
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