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FR2970066A1 - Dispositif de combustion a injecteurs decales - Google Patents

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FR2970066A1
FR2970066A1 FR1250036A FR1250036A FR2970066A1 FR 2970066 A1 FR2970066 A1 FR 2970066A1 FR 1250036 A FR1250036 A FR 1250036A FR 1250036 A FR1250036 A FR 1250036A FR 2970066 A1 FR2970066 A1 FR 2970066A1
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France
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fuel
fuel injection
flow
injection nozzles
combustion device
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Withdrawn
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FR1250036A
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Inventor
David Kaylor Toronto
Kwanwoo Kim
Abdul Rafey Khan
Luis Flamand
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Abstract

La présente invention propose un dispositif de combustion (100). Le dispositif de combustion (100) peut comporter un passage (110) d'écoulement d'air dans lequel circule un flux d'air (20). Un obstacle (170) à l'écoulement peut être situé dans le passage (110) d'écoulement d'air et peut provoquer un sillage ou une zone de recirculation (190) en aval de celui-ci. Un certain nombre de buses (140) d'injection de combustible peuvent être placées en aval de l'obstacle (170) à l'écoulement. Les buses (140) d'injection de combustible peuvent injecter un flux de combustible (30) dans le passage (110) d'écoulement d'air de façon que les flux de combustible (30) et d'air (20) dans le sillage ou la zone de recirculation (190) ne dépassent pas une limite d'inflammabilité.

Description

B11-6057FR 1 Dispositif de combustion à injecteurs décalés
La présente invention concerne de façon générale les moteurs à turbines à gaz et, plus particulièrement, un dispositif de combustion avec décalage du combustible et/ou décalage des injecteurs de combustible pour atténuer la rétention de flamme due à des obstacles locaux à l'écoulement et d'autres types de perturbations de l'écoulement.
Dans un moteur à turbine à gaz, le rendement augmente globalement à mesure que s'élève la température du flux de combustion. Cependant, des températures plus élevées du flux de combustion risquent de produire de plus grandes quantités d'oxydes d'azote ("NO,,") et d'autres types d'émissions. Ces émissions peuvent faire l'objet de réglementations nationales ou autres. Ainsi, il existe un compromis entre le fonctionnement du moteur à turbine à gaz dans des limites de température assurant un bon rendement et l'assurance que la production des NOX et autres types d'émissions réglementées reste au-dessous de niveaux imposés.
Plusieurs types de modèles de moteurs à turbines à gaz selon la technique antérieure tels que ceux utilisant des dispositifs de combustion à bas NOX par voie sèche ("DLN"), réalisent généralement un prémélange des flux de combustible et des flux d'air en amont d'une zone de réaction ou de combustion de façon à réduire les émissions de NOX à la sortie d'un certain nombre d'injecteurs de combustible en prémélange. Ce prémélange a tendance à réduire les températures générales de combustion, et donc les émissions de NOX et autres.
Cependant, le prémélange peut 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 lorsqu'on utilise des combustibles hautement réactifs. Par exemple, avec une source d'allumage donnée, une flamme peut être présente dans l'extrémité avant d'un dispositif de combustion, en amont des injecteurs de combustible, avec n'importe quelle fraction élevée d'hydrogène ou autres types de combustibles. Ainsi, n'importe quel type de poche contenant beaucoup de combustible peut entretenir une flamme et provoquer un endommagement du dispositif de combustion. D'autres problèmes posés par le prémélange peuvent être dus à des irrégularités dans les flux de combustible et les flux d'air. Par exemple, plusieurs obstacles sont susceptibles de perturber l'écoulement dans un passage d'arrivée entre un manchon d'écoulement et une chemise. Dans le cas d'un dispositif de combustion ayant des ailettes d'injection de combustible qui injectent le combustible dans le flux d'air en amont de l'extrémité avant de la tête d'injection, ces perturbations d'écoulement risquent de créer des zones de recirculation de flux sur le bord de fuite des ailettes. Ces zones de recirculation sont susceptibles de créer des poches stables de mélanges inflammables de combustible et d'air qui peuvent à leur tour provoquer une rétention de flamme ou d'autres types de phénomènes de combustion avec une source d'allumage donnée. I1 est donc souhaitable de mettre au point un dispositif de combustion perfectionné. Un tel dispositif doit tolérer des perturbations de l'écoulement en amont des injecteurs de fluide de manière à éviter la rétention de flamme, le retour de flamme, l'auto- allumage et autres. De plus, une augmentation de la marge de rétention de flamme doit permettre l'utilisation de combustibles à plus grande réactivité en vue d'améliorer les performances et de réduire les émissions. Ainsi, la présente invention propose un dispositif de combustion comportant un passage d'écoulement d'air dans lequel peut circuler un flux d'air avec un obstacle à l'écoulement présent dans le passage d'écoulement d'air et capable de provoquer un sillage ou une zone de recirculation en aval de celui-ci, un certain nombre d'injecteurs de combustible étant placés en aval de l'obstacle à l'écoulement. Les injecteurs de combustible peuvent injecter un flux de combustible dans le passage d'écoulement d'air de façon que les flux d'air et de combustible dans le sillage de la zone de recirculation ne dépassent pas une limite d'inflammabilité. La présente invention propose en outre un dispositif de combustion comportant un passage d'écoulement d'air dans lequel peut circuler un flux d'air avec un obstacle à l'écoulement présent dans le passage d'écoulement d'air et capable de provoquer un sillage ou une zone de recirculation en aval de celui-ci, un certain nombre d'injecteurs de combustible étant placés en aval de l'obstacle à l'écoulement. Les injecteurs de combustible peuvent être placés à l'extérieur du sillage ou de la zone de recirculation. La présente invention propose encore un dispositif de combustion comportant un passage d'écoulement d'air dans lequel peut circuler un flux d'air avec un obstacle à l'écoulement présent dans le passage d'écoulement d'air et capable de provoquer un sillage ou une zone de recirculation en aval de celui-ci, un certain nombre d'injecteurs de combustible étant placés en aval de l'obstacle à l'écoulement. Un ou plusieurs des injecteurs de combustible peuvent être des injecteurs aval de combustible disposés en aval et dans l'alignement du sillage ou de la zone de recirculation. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz selon la technique antérieure utilisable dans la présente invention ; - la figure 2 est une vue latérale en coupe d'un dispositif de combustion selon la technique antérieure ; - la figure 3 est une vue schématique partielle d'un dispositif de combustion selon la présente invention ; - la figure 4 est une vue schématique partielle d'un autre dispositif de combustion possible selon la présente invention ; - la figure 5 est une vue schématique partielle d'un autre dispositif de combustion possible selon la présente invention ; et - la figure 6 est une vue schématique partielle d'un autre dispositif de combustion possible selon la présente invention. 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. Le moteur 10 à turbine à gaz comporte un compresseur 15. Le compresseur 15 comprime un flux d'air entrant 20. Le compresseur refoule le flux d'air comprimé 20 vers un dispositif de combustion 25. Le dispositif de combustion 25 mélange le flux d'air comprimé 20 avec un flux de combustible comprimé 30 et enflamme le mélange afin de 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 comporter n'importe quel nombre de dispositifs de combustion 25. Le flux de gaz de combustion 35 alimente une turbine 40. Le flux de gaz de combustion 35 entraîne la turbine 40 afin de produire un travail mécanique. Le travail mécanique produit dans la turbine 40 entraîne le compresseur 15 et une charge extérieure 45 telle qu'un alternateur électrique ou analogue. Le moteur 10 à turbine à gaz peut utiliser du gaz naturel, divers types de gaz de synthèse et/ou d'autres types de combustibles. Le moteur 10 à turbine à gaz peut être n'importe quel modèle de moteur à turbine à gaz, par exemple commercialisés par General Electric Company, tels qu'un moteur à turbine à gaz à haut rendement 9FA ou analogue. 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 turbines à gaz peuvent également être utilisés dans la présente invention. D'autres types de turbines et d'autres types d'équipements de production d'électricité peuvent également être employés. La figure 2 représente un exemple simplifié d'un dispositif de combustion 25 selon la technique antérieure utilisable avec le moteur 10 à turbine à gaz. Dans ses grandes lignes, le dispositif de combustion 25 peut comporter une chambre de combustion 50 dans laquelle se trouvent un certain nombre d'injecteurs 55 de combustible. Chacun des injecteurs 55 de combustible peut comprendre un passage central 60 de combustible, généralement pour un combustible liquide. Les injecteurs 55 de combustible peuvent également comprendre un certain nombre de buses 65 d'injection de combustible. Les buses d'injection 65 de combustible peuvent être placées autour d'une ou de plusieurs vrilles 70. Les vrilles 70 facilitent le prémélange du flux d'air 20 et des flux de combustible 30 en créant un mouvement tourbillonnant (ou « swirl »). Les buses d'injection 65 de combustible peuvent être utilisées avec un combustible prémélangé ou autre. D'autres types de combustibles et d'autres types de circuits de combustible peuvent être utilisés dans la présente invention. Le flux d'air 20 peut entrer dans le dispositif de combustion 25 depuis le compresseur 15 via un passage d'entrée d'air 75. Le passage d'entrée d'air 75 peut être défini entre une chemise 80 de la chambre de combustion 50 et une enveloppe extérieure 85. Le flux d'air 20 peut circuler dans le passage d'entrée d'air 75, puis rebrousser chemin autour des injecteurs 55 de combustible. Le flux d'air 20 et le flux de combustible 30 peuvent être enflammés en aval des injecteurs 55 de combustible dans la chambre de combustion 50 de façon que le flux des gaz de combustion 35 puisse être dirigé vers la turbine 40. D'autres configurations et d'autres organes peuvent être utilisés dans la présente invention.
Le dispositif de combustion 25 peut également avoir un système d'injection 90 de combustible pauvre avant injecteurs, disposé autour du passage d'entrée d'air 75 entre la chemise 80 et l'enveloppe 85. Le système d'injection 90 de combustible pauvre avant injecteurs peut avoir un certain nombre de tétons de combustible ou de buses 92 d'injection de combustible. Les buses 92 d'injection de combustible peuvent avoir une forme aérodynamique profilée. D'autres formes peuvent être employées dans la présente invention. Les buses 92 d'injection de combustible peuvent avoir chacune un certain nombre de trous d'injection 94. Le nombre et la disposition des buses 92 d'injection de combustible et des trous d'injection 94 peuvent être optimisés en vue d'un prémélange. Un combustible prémélangé et d'autres types de flux de combustible 30 peuvent être utilisés dans la présente invention. Comme décrit plus haut, un certain nombre d'obstacles 96 à l'écoulement peuvent également être présents dans le passage d'entrée 75 d'air. Ces obstacles 96 peuvent être des structures telles qu'un certain nombre de tubes de raccordement 98. D'autres types d'obstacles 96 peuvent être constitués par des saillies de la chemise, des butées sur la chemise, etc. Ces obstacles 96 à l'écoulement peuvent créer un sillage à faible vitesse ou une zone de recirculation à vitesse faible ou négative. Le sillage ou la zone de recirculation peut englober une ou plusieurs des buses 92 d'injection de combustible et/ou créer d'autres types de perturbations locales à l'écoulement. Un flux du combustible 30 issu des trous 94 des buses 92 d'injection de combustible peut ainsi être entraîné vers l'amont dans le sillage ou la zone de recirculation. Bien que ces obstacles 96 à l'écoulement puissent provoquer ces perturbations de l'écoulement, les structures de ces obstacles sont par ailleurs celles requises pour un fonctionnement efficace du dispositif de combustion. La figure 3 représente des parties d'un dispositif de combustion 100 selon la présente invention. En particulier, un passage 110 d'air peut être aménagé entre une chemise 120 et une enveloppe 130. Le passage 110 d'air peut également être ménagé entre d'autres structures. Le dispositif de combustion 100 peut comprendre un certain nombre de tétons d'injection de combustible ou de buses 140 d'injection de combustible disposés dans le passage 110 d'air. Les buses 140 d'injection de combustible peuvent avoir une forme ou un profil aérodynamique 150 afin d'optimiser la résistance à la rétention de flamme. D'autres formes peuvent être utilisées dans la présente invention. N'importe quel nombre de buses 140 d'injection de combustible peuvent être utilisées avec n'importe quelle dimension ou à n'importe quel endroit. Les buses d'injection 140 de combustible peuvent chacune avoir un certain nombre de trous d'injection 160. Les trous d'injection 160 peuvent être d'un seul côté ou des deux côtés des buses d'injection 140 de combustible. N'importe quel nombre de trous d'injection 160 peuvent être utilisés avec n'importe quelle dimension et à n'importe quel endroit. D'autres configurations et d'autres organes peuvent être utilisés. Le passage 110 d'air peut également comprendre un ou plusieurs obstacles 170 à l'écoulement. Les obstacles 170 à l'écoulement peuvent être un tube de raccordement 180 ou n'importe quel autre type d'obstacle à l'écoulement, dont des saillies de la chemise, des butées de la chemise, etc. L'obstacle à l'écoulement peut être toute structure pouvant créer une perturbation d'écoulement dans l'écoulement de l'air 20. La perturbation de l'écoulement peut être un sillage ou un autre type de zone à vitesse réduite ou négative, pouvant générer un sillage ou une zone de recirculation 190. Dans le présent exemple, les buses 140 d'injection de combustible peuvent être constituées par un certain nombre de buses d'injection 200 de combustible non alimentées, disposées en aval de l'obstacle 170 à l'écoulement dans le sillage ou dans la zone de recirculation 190 de celui-ci. Les autres buses d'injection 140 de combustible peuvent être des buses d'injection 210 de combustible alimentées en combustible. La suppression de l'écoulement du combustible 30 dans les buses d'injection 140 de combustible dans le sillage ou la zone de recirculation 190 permet de réduire le risque d'entraînement de combustible dans ceux-ci, lequel est susceptible d'aboutir à un retour de flamme ou analogue. Dans la mesure où le flux de combustible 30 entre dans le sillage ou dans la zone de recirculation 190, le mélange maximal de combustible et d'air ne peut jamais dépasser une limite d'inflammabilité dans un certain nombre de conditions données, du fait de la présence des buses 200 d'injection de combustible non alimentées en combustible. Une position en dehors ou en aval ou d'une autre manière hors du sillage ou de la zone de recirculation 190 signifie que la buse d'injection 140 de combustible se trouve dans un intervalle de vitesse acceptable par rapport à la vitesse globale de propagation dans le passage 110 d'air. La figure 4 illustre une autre forme possible de réalisation d'un dispositif de combustion 220 selon la présente invention. Comme plus haut, le dispositif de combustion 220 comporte un certain nombre de tétons d'injection de combustible ou de buses 140 d'injection de combustible placés dans le passage 110 d'air. Dans le présent exemple, aucune buse 140 d'injection de combustible n'est disposée en aval du sillage ou de la zone de recirculation 190 provoqué par l'obstacle 170 à l'écoulement. En revanche, on peut utiliser un passage 230 sans obstacle. Le passage 230 sans obstacle supprime le risque d'entraînement de combustible dans le sillage ou la zone de recirculation 190 en supprimant la circulation du combustible 30 dans celui-ci. Dans la mesure où le flux de combustible 30 entre dans le sillage ou dans la zone de recirculation 190, le rapport maximal du mélange combustible/air ne peut jamais dépasser une limite d'inflammabilité pour un certain nombre de conditions données, en raison du passage 230 sans obstacle. La figure 5 représente une autre forme de réalisation d'un dispositif de combustion 240 selon la présente invention. Dans cet exemple, le dispositif de combustion 240 comporte un certain nombre de buses 140 d'injection de combustible placées dans le passage 110 d'air en aval de l'obstacle 170 à l'écoulement. Dans cet exemple, un certain nombre de buses 250 d'injection de combustible à débit de combustible réduit sont placées dans le sillage ou la zone de recirculation 190. Les buses 210 d'injection de combustible alimentées en combustible peuvent être placées à l'extérieur du sillage ou de la zone de recirculation 190. Ainsi, le fait de réduire le débit du combustible 30 dans les buses 250 d'injection de combustible situées dans le sillage ou dans la zone de recirculation 190 peut empêcher la rétention de flamme ou autre, car le rapport maximal du mélange combustible/air ne peut jamais dépasser une limite d'inflammabilité dans un certain nombre de conditions données. La figure 6 représente un autre exemple d'un dispositif de combustion 260 selon la présente invention. Le dispositif de combustion 260 peut également comporter un certain nombre des buses 140 d'injection de combustible placées dans le passage 110 en aval de l'obstacle 170 à l'écoulement. Dans cet exemple, les buses 140 d'injection de combustible peuvent comprendre un certain nombre de buses aval 270 d'injection de combustible. Les buses aval 270 d'injection de combustible peuvent être placées plus loin en aval, par rapport aux buses 210 d'injection de combustible alimentées en combustible et en aval du sillage ou de la zone de recirculation 190 provoquée par l'obstacle 170 à l'écoulement. Les buses aval 270 d'injection de combustible peuvent également être des buses 210 d'injection de combustible alimentées par un combustible. Le fait de retirer les injecteurs 140 de combustible et le flux de combustible 30 du sillage ou de la zone de recirculation 190 supprime également le risque d'entraînement de combustible tout en conservant un profil de combustible uniforme. Dans la mesure où le flux de combustible 30 entre dans le sillage ou dans la zone de recirculation 190, le rapport maximal de mélange combustible/air ne peut jamais dépasser une limite d'inflammabilité dans un certain nombre de conditions données, en raison de l'absence de buses 140 d'injection de combustible dans celui-ci.
En fonctionnement, les dispositifs de combustion décrits ici réduisent donc le risque d'entraînement de combustible en aval des obstacles 170 à l'écoulement de manière à réduire le risque de rétention de flamme et d'autres types de phénomènes de combustion autour des buses 140 d'injection de combustible. Les buses 140 d'injection de combustible peuvent modifier le rapport combustible/air susceptible d'alimenter un sillage ou une zone de recirculation provoqué par les obstacles 170 à l'écoulement. Les buses 140 d'injection de combustible peuvent également avoir une plus grande marge de rétention de flamme de façon que l'ensemble du moteur 10 à turbine à gaz puisse être à même d'utiliser des combustibles à plus forte réactivité.
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 Injecteurs de combustible 60 Passage central de combustible 65 Buses d'injection de combustible 70 Vrilles 75 Passage de flux d'air entrant 80 Chemise 85 Enveloppe 90 Système d'injection de combustible avant injecteurs 92 Buses d'injection de combustible 94 Trous d'injection 96 Obstacle à l'écoulement 100 Système de combustion 110 Passage d'air 120 Chemise 130 Enveloppe 140 Injecteurs de combustible 150 Forme aérodynamique 160 Trous d'injection 170 Obstacles à l'écoulement 180 Tube de raccordement 190 Sillage ou zone de recirculation 200 Buses d'injection de combustible non alimentées en combustible 210 Buses d'injection de combustible alimentées en combustible 220 Dispositif de combustion 230 Passage sans obstacle 240 Dispositif de combustion 250 Injecteurs de combustible à débit de combustible réduit 260 Dispositif de combustion 270 Buses aval d'injection de combustible

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de combustion (100), comportant : un passage (110) d'écoulement d'air pour un flux d'air (20) ; un obstacle (170) à l'écoulement placé dans le passage (110) d'écoulement d'air ; l'obstacle (170) à l'écoulement provoquant un sillage ou une zone de recirculation (190) en aval de celui-ci ; et une pluralité de buses (140) d'injection de combustible placées en aval de l'obstacle (170) à l'écoulement ; la pluralité de buses (140) d'injection de combustible injectant un flux de combustible (30) dans le passage (110) d'écoulement d'air de façon que les flux de combustible (30) et d'air (20) dans le sillage ou la zone de recirculation (190) n'y dépassent pas une limite d'inflammabilité.
  2. 2. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de buses (140) d'injection de combustible comprend une ou plusieurs buses ou un ou plusieurs tétons d'injection (200) de combustible non alimentées en combustible dans le sillage ou la zone de recirculation (190).
  3. 3. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de buses (140) d'injection de combustible comprend une pluralité de buses (210) d'injection de combustible non alimentées en combustible hors du sillage ou la zone de recirculation (190).
  4. 4. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de buses d'injection (140) de combustible comprend une ou plusieurs buses (250) d'injection de combustible à débit réduit dans le sillage ou la zone de recirculation (190).
  5. 5. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de buses (140) d'injection de combustible définit un passage (230) sans obstacle en aval du sillage ou la zone de recirculation (190).
  6. 6. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de buses (140) d'injection de combustible comprend une ou plusieurs buses aval (270) d'injection de combustible, situées en aval et dans l'alignement du sillage ou la zone de recirculation (190).
  7. 7. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel le passage (110) d'écoulement d'air est défini par une chemise (120) et une enveloppe (130).
  8. 8. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, comportant en outre une pluralité d'injecteurs (55) de combustible en aval de la pluralité de buses (140) d'injection de combustible.
  9. 9. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel les buses (140) d'injection de combustible ont une forme profilée (150).
  10. 10. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, dans lequel les buses (140) d'injection de combustible comportent une pluralité de trous d'injection (160).
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