EP4639033A1 - Dispositif de combustion à hydrogène - Google Patents

Dispositif de combustion à hydrogène

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Publication number
EP4639033A1
EP4639033A1 EP23841009.6A EP23841009A EP4639033A1 EP 4639033 A1 EP4639033 A1 EP 4639033A1 EP 23841009 A EP23841009 A EP 23841009A EP 4639033 A1 EP4639033 A1 EP 4639033A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
combustion
hydrogen
axis
combustion device
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.)
Pending
Application number
EP23841009.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Axel Pierre Jean VINCENT-RANDONNIER
Jiangheng RUAN
Florian LE JOUAN
Daniel GAFFIE
Nicolas BERTIER
Stéphan ZURBACH
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.)
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Safran SA
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Safran SA
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 Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA, Safran SA filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of EP4639033A1 publication Critical patent/EP4639033A1/fr
Pending 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
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • 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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • 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
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the present disclosure relates to the field of combustion such as in particular hydrogen for a turbine, in particular for a turbomachine, such as for example a gas turbine, a turbojet or an aircraft turboprop. More specifically, the present disclosure relates to a hydrogen combustion device.
  • An aircraft turbomachine conventionally comprises a combustion chamber powered by kerosene.
  • kerosene in order to reduce the environmental impact and polluting emissions and contribute to the decarbonization of air transport, it was considered to replace kerosene with a hydrogen-based fuel.
  • the flame speeds resulting from hydrogen combustion are greater than those resulting from kerosene combustion. These high flame speeds can generate flame flashbacks, commonly referred to as “flashbacks”, in fuel injection systems in the combustion chamber. These flashbacks can consequently damage the injection systems.
  • a hydrogen combustion device comprising:
  • combustion chamber and at least one premixing chamber having a first axis and an outlet which opens into the combustion chamber
  • the first injection system comprising the premixing chamber, primary means for supplying air opening into the premixing chamber and at least one first hydrogen inlet orifice opening into the premixing chamber downstream of the primary air supply means following the direction of flow of the gases in the device combustion,
  • At least a second hydrogen injection system into the combustion chamber along a second axis the second injection system comprising at least a second hydrogen inlet orifice opening into the combustion chamber.
  • said at least one first hydrogen inlet orifice opens into the premixing chamber in a direction forming with the first axis an angle of between 30° and 150°.
  • This orientation of the flow of hydrogen coming from the primary means of supplying air into the premixing chamber makes it possible to improve the homogeneity and speed of the mixture of hydrogen and air.
  • the angle can be 90°.
  • said at least first injection system advantageously makes it possible to ensure rapid and sufficiently homogeneous mixing of the air and the hydrogen in the premixing chamber before supplying the combustion chamber with this mixture.
  • said optional second injection system advantageously makes it possible to stabilize the combustion process in the combustion chamber, in particular at low speed.
  • Such a combustion device thus allows the development of combustion that is both aerodynamically stable and emits little nitrogen oxides in the combustion chamber. Furthermore, the combustion device according to the present disclosure retains the advantage of being able to be easily optimized, designed and manufactured.
  • Said at least one first orifice corresponds in particular to a premixing orifice opening directly into the premixing chamber.
  • said optional second port corresponds in particular to a direct injection port, opening directly into the combustion chamber.
  • Said at least one first orifice may comprise at least one annular row of first orifices, for example an annular row of first orifices or alternatively a plurality of annular rows of first orifices spaced longitudinally.
  • the annular row of first orifices advantageously makes it possible to distribute the power supply annularly in hydrogen from the premixing chamber, and thus improve the homogeneity of the mixture of hydrogen and air in the premixing chamber.
  • Each annular row of first orifices may comprise two first orifices, for example arranged diametrically opposite to the premixing chamber.
  • Said first orifices of the annular row can be aligned circumferentially so that at least some of the first orifices, preferably all the first orifices, are intercepted by the same plane perpendicular to the first axis.
  • Said at least first injection system can advantageously comprise an annular hydrogen supply ramp surrounding the premixing chamber of said first injection system.
  • Said annular ramp may in particular comprise at least one annular row of first orifices, preferably an annular row of first orifices. The annular ramp is then configured to supply hydrogen to the premixing chamber through the first orifices of the annular row. This configuration makes it easier to implement the annular row of first orifices.
  • Each of said at least one first injection system may comprise at least one micro-injector configured to project a micro-jet of hydrogen into the premixing chamber by injection through said at least one first orifice.
  • Said at least one first orifice must open into the premixing chamber along the first axis, downstream of the primary air supply means and ideally close to it. This configuration makes it possible to improve the efficiency of the mixture of hydrogen and air.
  • the premixing chamber can advantageously be delimited externally by a cylindrical wall in which said at least one first orifice is formed.
  • Each of said at least one first orifice may have a diameter of between 0.2 mm and 3 mm.
  • Each of said at least one second injection system may comprise at least one micro-injector configured to project micro-jets of hydrogen through said at least one second orifice and into the combustion chamber.
  • Each of said at least one second orifice may have a diameter of between 0.2 mm and 3 mm.
  • the primary air supply means can be configured to supply the premixing chamber with swirling air, commonly referred to as “swirl” in English.
  • swirling air commonly referred to as “swirl” in English.
  • the first injection system may comprise secondary means for supplying air opening into the premixing chamber downstream of said at least one first orifice, preferably at a downstream end of the premixing chamber.
  • the secondary air supply means may comprise at least a third orifice opening into the premixing chamber downstream of said at least one first orifice, preferably at a downstream end of the premixing chamber.
  • Said at least one third orifice can be oriented radially inwards and downstream along the first axis.
  • the first injection system can advantageously comprise at least one annular row of third orifices, for example an annular row of third orifices.
  • Each annular row of third orifices can for example comprise two third orifices, preferably arranged diametrically opposite to the premixing chamber.
  • the two third orifices can for example be arranged respectively radially inside and radially outside the premixing chamber relative to a longitudinal axis of the combustion chamber.
  • Each of said at least one third orifice may have a diameter of between 0.05 mm and 3 mm.
  • combustion chamber can be annular or tubular.
  • the combustion chamber may comprise an annular wall at the bottom of the axis chamber merging with the longitudinal axis or a set of tubular chambers, not necessarily parallel in direction, distributed around the longitudinal axis.
  • Said at least one first injection system can open into the combustion chamber at the same longitudinal position as said at least one second injection system along the longitudinal axis.
  • Said at least one second injection system can be arranged radially inside or radially outside of said at least one first injection system along the first axis.
  • the second axis can be inclined radially inwards relative to the first axis.
  • the outlet of the premixing chamber opens into the inlet of the combustion chamber and through the annular chamber bottom wall of the combustion chamber.
  • the combustion device may comprise a plurality of first injection systems distributed annularly around the longitudinal axis of the combustion chamber.
  • the combustion device may comprise a plurality of second injection systems distributed annularly around the longitudinal axis of the combustion chamber.
  • the combustion device may comprise means for regulating the supply of hydrogen and air to the premixing chamber configured to produce a lean mixture of hydrogen and air in the premixing chamber.
  • the premix chamber is advantageously intended to receive this lean mixture of hydrogen and air.
  • poor we mean that the air is in excess compared to the hydrogen in the premixing chamber.
  • rich we mean that the hydrogen is in excess compared to the air, with regard to stoichiometry.
  • the combustion of the lean premix advantageously makes it possible to reduce the flame temperature in the combustion chamber, and thus to reduce nitrogen oxide emissions.
  • the means for regulating the supply of hydrogen and air to the premixing chamber can in particular be configured to distribute a flow of air arriving in the premixing chamber between the primary air supply means and the secondary air supply means.
  • the primary air supply means can in particular be configured to supply the premixing chamber with air with a mass flow rate between two to fifty times greater than a mass flow rate of air supplied by the secondary means.
  • a turbomachine comprising the combustion device as previously described.
  • FIG. 1 schematically illustrates a partial sectional view of a combustion device according to the present disclosure.
  • FIG. 2 schematically illustrates another partial sectional view of the combustion device according to the present disclosure.
  • FIG. 1 and 2 schematically representing respectively partial sectional views of examples of hydrogen combustion device 100 according to the present document.
  • the combustion device 100 can be used in a gas turbine, or a turbomachine, for example a turboprop, or an aircraft turbojet.
  • the combustion chamber 10 may be substantially annular around a longitudinal axis longitudinal axis longitudinal
  • the hydrogen combustion device 100 comprises a combustion chamber 10 and at least one premixing chamber 24 having a first axis Y1 and an outlet 25 which opens into the combustion chamber 10.
  • the outlet 25 of the premixing chamber 24 can in particular open at the entrance to the combustion chamber 10 and through the annular chamber bottom wall 11.
  • the combustion device 100 comprises at least a first injection system
  • the first injection system 20 comprises the premixing chamber 24, primary means
  • the direction of flow of gases in the combustion device 100 is represented by solid arrows in Figure 1.
  • the angle between the direction of said at least one first orifice 22 and the first axis Y1 is advantageously between 30° and 150°.
  • the flow of hydrogen therefore arrives substantially perpendicular to the flow of air coming from the primary means of supplying air into the premixing chamber, which makes it possible to improve the homogeneity and speed of the mixture of hydrogen and air.
  • the combustion device 100 may preferably comprise a plurality of first injection systems 20 distributed annularly around the longitudinal axis X of the annular bottom wall of the chamber 11.
  • the combustion device 100 may further comprise a second or more second hydrogen injection systems 30 into the combustion chamber 10 along a second axis Y2.
  • the second injection system 30 comprises at least one second hydrogen inlet orifice 31 opening into the combustion chamber 10.
  • the combustion device 100 may preferably comprise a plurality of second injection systems 30 distributed annularly around the longitudinal axis X of the annular bottom wall of the chamber 11.
  • said at least one first injection system 20 advantageously makes it possible to ensure rapid and sufficiently homogeneous mixing of the air and the hydrogen in the premixing chamber 24 before supplying the chamber. combustion 10 with this mixture.
  • said second injection system 30 advantageously makes it possible to stabilize the combustion process in the combustion chamber, in particular at low speed.
  • Such a combustion device 100 thus allows the development of combustion that is both aerodynamically stable and emits little nitrogen oxides in the combustion chamber.
  • the combustion device according to the present disclosure has the advantage of being able to be easily optimized, designed and manufactured.
  • Said at least one first injection system 20 can open into the combustion chamber 10 at the same longitudinal position as said at least one second injection system 30 along the longitudinal axis X.
  • Said at least one second injection system 30 can be arranged radially inside or radially outside of said at least one first injection system 20 along the first axis.
  • the second axis Y2 can be inclined radially inwards relative to the first axis Y1.
  • the premixing chamber 24 can advantageously be delimited externally by a cylindrical wall 241 in which said at least one first orifice 22 is formed.
  • said at least one first orifice 22 corresponds in particular to a direct fuel injection orifice opening directly into the premixing chamber 24.
  • Said at least one second orifice 31 corresponds in particular to a direct injection orifice, opening directly into the combustion chamber 10.
  • Said at least one first orifice 22 may comprise at least one annular row of first orifices 22, for example an annular row of first orifices 22 or alternatively a plurality of annular rows of first orifices 22 spaced longitudinally.
  • the annular row of first orifices 22 advantageously makes it possible to distribute the hydrogen supply to the premixing chamber annularly, and thus to improve the homogeneity of the mixture of hydrogen and air in the premixing chamber 24.
  • Each annular row of first orifices 22 may comprise two first orifices 22, for example arranged diametrically opposite to the premixing chamber 24.
  • Said first orifices 22 of the annular row can be aligned circumferentially so that at least some of the first orifices 22, preferably all the first orifices 22, are intercepted by the same plane perpendicular to the first axis Y1.
  • Said at least first injection system 20 may advantageously comprise an annular hydrogen supply ramp surrounding the premixing chamber 24 of said first injection system 20.
  • Said annular ramp may in particular comprise at least one annular row of first orifices 22, preferably an annular row of first orifices 22.
  • the annular ramp is then configured to supply hydrogen to the premixing chamber 24 through the first orifices 22 of the annular row. This configuration makes it possible to facilitate the implementation of the directory row of first orifices.
  • the combustion device 100 may include hydrogen supply means connected to the first orifices 22 and the second orifices 31.
  • the hydrogen supply means may for example comprise a first annular hydrogen supply pipe connected to the ramp.
  • the supply means can also comprise an annular pipe whose downstream end is connected to said second orifices 31.
  • Each of said at least one first injection system 20 may comprise at least one micro-injector configured to project micro-jets of hydrogen through said at least one first orifice 22 and into the premixing chamber 24.
  • Said at least one first orifice 22 can open into the premixing chamber 24 downstream of the primary air supply means 21 and ideally close to it. . This configuration makes it possible to improve the efficiency of the mixture of hydrogen and air.
  • said first orifice 22 is located in the immediate vicinity of the air supply means. Port 22 is therefore located in the first half of the premixing chamber.
  • Each of said at least one first orifice 22 may have a diameter of between 0.2 mm and 3 mm.
  • Each of said at least one second injection system 30 may comprise at least one micro-injector configured to project micro-jets of hydrogen through said at least one second orifice 31 and into the combustion chamber 10.
  • Each of said at least one second orifice 31 may have a diameter of between 0.2 mm and 3 mm.
  • the first injection system 20 may advantageously comprise secondary means 23 for supplying air opening into the premixing chamber 24 downstream of said at least one first orifice 22, preferably at a downstream end of the premixing chamber 24.
  • These secondary air supply means 23 advantageously make it possible to limit the risk of flame rising from the combustion chamber 10 in the first injection system 20.
  • the secondary air supply means 23 may comprise at least one third orifice 231 opening into the premixing chamber 24 downstream of said at least one first orifice 22, preferably at a downstream end of the premixing chamber 24 .
  • Said at least one third orifice 231 can be oriented radially inwards and downstream along the first axis Y1.
  • the first injection system 20 can advantageously comprise at least one annular row of third orifices 231, for example an annular row of third orifices 231.
  • Each annular row of third orifices 231 can for example comprise two third orifices 231, of preferably arranged diametrically opposite to the premixing chamber 24.
  • the two third orifices 231 can for example be arranged respectively radially inside and radially outside the premixing chamber 24 relative to the longitudinal axis X.
  • Each of said at least one third orifice 231 may have a diameter of between 0.05 mm and 3 mm.
  • the primary air supply means can be configured to supply the premixing chamber with swirling air, commonly referred to as “swirl” in English.
  • swirling air commonly referred to as “swirl” in English.
  • the combustion device may include means for regulating the supply of hydrogen and air to the premixing chamber, configured to produce a lean mixture of hydrogen and air in the premixing chamber.
  • the premixing chamber is advantageously intended to receive this lean mixture of hydrogen and air.
  • poor we mean that the air is in excess compared to the hydrogen in the premixing chamber.
  • rich we mean that hydrogen is in excess compared to air, with regard to stoichiometry.
  • the combustion of the lean premix advantageously makes it possible to reduce the flame temperature in the combustion chamber, and thus to reduce nitrogen oxide emissions.
  • the means for regulating the supply of hydrogen and air to the premixing chamber can in particular be configured to distribute a flow of air arriving in the premixing chamber between the primary air supply means and the secondary means of supplying air.
  • the primary air supply means can in particular be configured to supply the premixing chamber with air with a mass flow rate between two to fifty times greater than a mass flow rate of air supplied by the secondary means.

Landscapes

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)

Abstract

La présente divulgation concerne un dispositif de combustion (100) à hydrogène comprenant : • - une chambre de combustion (10) et au moins une chambre de prémélange (24) ayant un premier axe (Yl) et une sortie (25) qui débouche dans la chambre de combustion (10), • - au moins un premier système d'injection (20) d'un mélange d'hydrogène et d'air dans la chambre de combustion (10) selon le premier axe (Yl), le premier système d'injection (20) comprenant la chambre de prémélange (24), des moyens primaires (21) d'amenée d'air débouchant dans la chambre de prémélange (24) et au moins un premier orifice (22) d'arrivée d'hydrogène débouchant dans la chambre de prémélange (24) selon une direction sensiblement perpendiculaire au premier axe (Yl), • - au moins un deuxième système d'injection (30) d'hydrogène dans la chambre de combustion (10) selon un deuxième axe (Y2).

Description

Description
Titre : Dispositif de combustion à hydrogène
Domaine technique
[0001] La présente divulgation se rapporte au domaine de la combustion tel qu’en particulier de l’hydrogène pour une turbine, notamment pour une turbomachine, telle que par exemple une turbine à gaz, un turboréacteur ou un turbopropulseur d’aéronef. Plus précisément, la présente divulgation concerne un dispositif de combustion à hydrogène.
Technique antérieure
[0002] Une turbomachine d'aéronef comprend classiquement une chambre de combustion alimentée par du kérosène. Toutefois, afin de réduire l'impact environnemental et les émissions polluantes et de contribuer à la décarbonation du transport aérien, il a été envisagé de remplacer le kérosène par un combustible à base d’hydrogène.
[0003] Afin de permettre une combustion stable à partir de l’hydrogène, il est connu de générer des flammes de diffusion dans la chambre de combustion, c’est-à-dire des flammes qui sont obtenues à partir de réactifs très peu mélangés à l’air, voire non mélangés, avant d'arriver dans la chambre de combustion.
[0004] Cependant, ces flammes de diffusion issues d’une combustion de l’hydrogène atteignent des températures plus élevées que les flammes issues d’une combustion de kérosène dans des conditions thermodynamiques et de richesse équivalentes. On entend par « richesse » la proportion d’hydrogène par rapport à l’air pour la combustion. Le mélange est dit « riche » lorsque l’hydrogène est en excès par rapport à l’air, et inversement, le mélange est dit « pauvre » lorsque l’air est en excès par rapport à l’hydrogène. La chambre de combustion doit alors pouvoir résister à ces températures élevées.
[0005] Par ailleurs, les vitesses de flammes issues d’une combustion d’hydrogène sont plus importantes que celles issues d’une combustion de kérosène. Ces vitesses de flammes importantes peuvent générer des retours de flammes, couramment désignés « flashbacks » en langue anglaise, dans les systèmes d’injection de combustible dans la chambre de combustion. Ces retours de flammes peuvent en conséquence endommager les systèmes d’injection.
[0006] De plus, les températures produites par la combustion de l’hydrogène sont fortement émettrices en oxydes d’azote (NOx).
[0007] Par conséquent, il existe un besoin de développer des dispositifs de combustion à hydrogène qui permettent une combustion stable et faiblement émettrice en oxydes d’azote, en limitant la charge thermique subie par les dispositifs de combustion et les risques de retour de flammes.
[0008] Le présent document vise à apporter une solution simple, fiable et économique à ce besoin. Résumé
[0009] Il est proposé un dispositif de combustion à hydrogène comprenant :
- une chambre de combustion et au moins une chambre de prémélange ayant un premier axe et une sortie qui débouche dans la chambre de combustion,
- au moins un premier système d’injection d’un mélange d’hydrogène et d’air dans la chambre de combustion selon le premier axe, le premier système d’injection comprenant la chambre de prémélange, des moyens primaires d’amenée d’air débouchant dans la chambre de prémélange et au moins un premier orifice d’arrivée d’hydrogène débouchant dans la chambre de prémélange à l’aval des moyens primaires d’amenée d’air suivant le sens d’écoulement des gaz dans le dispositif de combustion,
- optionnellement, au moins un deuxième système d’injection d’hydrogène dans la chambre de combustion selon un deuxième axe, le deuxième système d’injection comprenant au moins un deuxième orifice d’arrivée d’hydrogène débouchant dans la chambre de combustion.
[0010] Dans une réalisation particulière, ledit au moins un premier orifice d’arrivé d’hydrogène débouche dans la chambre de prémélange selon une direction formant avec le premier axe un angle compris entre 30° et 150°. Cette orientation du flux d’hydrogène provenant des moyens primaires d’amenée d’air dans la chambre de prémélange permet d’améliorer l’homogénéité et la rapidité du mélange d’hydrogène et d’air. Dans une réalisation particulière, l’angle peut être de 90°.
[0011] D’une part, ledit au moins premier système d’injection permet avantageusement d’assurer un mélange rapide et suffisamment homogène de l’air et de l’hydrogène dans la chambre de prémélange avant d’alimenter la chambre de combustion avec ce mélange. D’autre part, ledit optionnel deuxième système d’injection permet avantageusement de stabiliser le processus de combustion dans la chambre de combustion, en particulier à bas régime. Un tel dispositif de combustion permet ainsi le développement d’une combustion à la fois aérodynamiquement stable et faiblement émettrice en oxydes d’azote dans la chambre de combustion. En outre, le dispositif de combustion selon la présente divulgation conserve l’avantage de pouvoir être facilement optimisé, conçu et fabriqué.
[0012] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en oeuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres.
[0013] Ledit au moins un premier orifice correspond notamment à un orifice de prémélange débouchant directement dans la chambre de prémélange. De plus, ledit optionnel un deuxième orifice correspond notamment à un orifice d’injection directe, débouchant directement dans la chambre de combustion.
[0014] Ledit au moins un premier orifice peut comprendre au moins une rangée annulaire de premiers orifices, par exemple une rangée annulaire de premiers orifices ou alternativement une pluralité de rangées annulaires de premiers orifices espacées longitudinalement. La rangée annulaire de premiers orifices permet avantageusement de distribuer annulairement l’alimentation en hydrogène de la chambre de prémélange, et ainsi d’améliorer l’homogénéité du mélange d’hydrogène et d’air dans la chambre de prémélange.
[0015] Chaque rangée annulaire de premiers orifices peut comprendre deux premiers orifices, par exemple aménagés de manière diamétralement opposés par rapport à la chambre de prémélange.
[0016] Lesdits premiers orifices de la rangée annulaire peuvent être alignés circonférentiellement de manière à ce qu’au moins certains des premiers orifices, de préférence tous les premiers orifices, sont interceptés par un même plan perpendiculaire au premier axe.
[0017] Ledit au moins premier système d’injection peut avantageusement comprendre une rampe annulaire d’alimentation en hydrogène entourant la chambre de prémélange dudit premier système d’injection. Ladite rampe annulaire peut notamment comprendre au moins une rangée annulaire de premiers orifices, de préférence une rangée annulaire de premiers orifices. La rampe annulaire est alors configurée pour alimenter en hydrogène la chambre de prémélange au travers des premiers orifices de la rangée annulaire. Cette configuration permet de faciliter la mise en oeuvre de la rangée annulaire de premiers orifices.
[0018] Chacun dudit au moins un premier système d’injection peut comprendre au moins un micro- injecteur configuré pour projeter dans la chambre de prémélange un micro-jet d’hydrogène par injection à travers ledit au moins un premier orifice.
[0019] Ledit au moins un premier orifice doit déboucher dans la chambre de prémélange suivant le premier axe, en aval des moyens primaires d’amenée d’air et idéalement proche de celui-ci. Cette configuration permet d’améliorer l’efficacité du mélange d’hydrogène et d’air.
[0020] La chambre de prémélange peut avantageusement être délimitée extérieurement par une paroi cylindrique dans laquelle est formé ledit au moins un premier orifice.
[0021] Chacun dudit au moins un premier orifice peut présenter un diamètre compris entre 0,2 mm et 3 mm.
[0022] Chacun dudit au moins un deuxième système d’injection peut comprendre au moins un micro- injecteur configuré pour projeter des micro-jets d’hydrogène à travers ledit au moins un deuxième orifice et dans la chambre de combustion.
[0023] Chacun dudit au moins un deuxième orifice peut présenter un diamètre compris entre 0,2 mm et 3 mm.
[0024] Avantageusement, les moyens primaires d’amenée d’air peuvent être configurés pour alimenter la chambre de prémélange en air tourbillonnaire, couramment désigné sous le terme « swirl » en langue anglaise. Cette caractéristique permet d’améliorer la maîtrise de l’aérodynamique dans la chambre de prémélange, et de favoriser un mélange rapide et sensiblement homogène de l’air et de l’hydrogène dans la chambre de prémélange.
[0025] Avantageusement, le premier système d’injection peut comprendre des moyens secondaires d’amenée d’air débouchant dans la chambre de prémélange en aval dudit au moins un premier orifice, de préférence à une extrémité aval de la chambre de prémélange. Ces moyens d’amenée d’air permettent avantageusement de limiter le risque de remontée de flamme dans la chambre de prémélange.
[0026] Les moyens secondaires d’amenée d’air peuvent comprendre au moins un troisième orifice débouchant dans la chambre de prémélange en aval dudit au moins un premier orifice, de préférence à une extrémité aval de la chambre de prémélange.
[0027] Ledit au moins un troisième orifice peut être orienté radialement vers l’intérieur et vers l’aval selon le premier axe.
[0028] Le premier système d’injection peut avantageusement comprendre au moins une rangée annulaire de troisièmes orifices, par exemple une rangée annulaire de troisièmes orifices. Chaque rangée annulaire de troisièmes orifices peut par exemple comprendre deux troisièmes orifices, de préférence aménagés de manière diamétralement opposés par rapport à la chambre de prémélange. Les deux troisièmes orifices peuvent par exemple être aménagés respectivement radialement à l’intérieur et radialement à l’extérieur de la chambre de prémélange par rapport à un axe longitudinal de la chambre de combustion.
[0029] Chacun dudit au moins un troisième orifice peut présenter un diamètre compris entre 0,05 mm et 3 mm.
[0030] En outre, la chambre de combustion peut être annulaire ou tubulaire.
[0031] La chambre de combustion peut comprendre une paroi annulaire de fond de chambre d’axe se confondant avec l’axe longitudinal ou un ensemble de chambres tubulaires, de direction non nécessairement parallèles, se distribuant autour de l’axe longitudinal.
[0032] Ledit au moins un premier système d’injection peut déboucher dans la chambre de combustion à une même position longitudinale que ledit au moins un deuxième système d’injection selon l’axe longitudinal.
[0033] Ledit au moins un deuxième système d’injection peut être aménagé radialement à l’intérieur ou radialement à l’extérieur dudit au moins un premier système d’injection selon le premier axe.
[0034] Le deuxième axe peut être incliné radialement vers l’intérieur par rapport au premier axe.
[0035] Avantageusement, pour une chambre de combustion à géométrie annulaire, la sortie de la chambre de prémélange débouche en entrée de la chambre de combustion et au travers de la paroi annulaire de fond chambre de la chambre de combustion.
[0036] Le dispositif de combustion peut comprendre une pluralité de premiers systèmes d’injection répartis annulairement autour de l’axe longitudinal de la chambre de combustion.
[0037] Le dispositif de combustion peut comprendre une pluralité de deuxièmes systèmes d’injection répartis annulairement autour de l’axe longitudinal de la chambre de combustion.
[0038] Le dispositif de combustion peut comprendre des moyens de régulation de l’alimentation de la chambre de prémélange en hydrogène et en air configurés pour réaliser un mélange pauvre d’hydrogène et d’air dans la chambre de prémélange. La chambre de prémélange est avantageusement destinée à recevoir ce mélange pauvre d’hydrogène et d’air. On entend par « pauvre » que l’air est en excès par rapport à l’hydrogène dans la chambre de prémélange. Inversement, on entend par « riche » que l’hydrogène est en excès par rapport à l’air, en regard de la stœchiométrie. La combustion du prémélange pauvre permet avantageusement de diminuer la température de flamme dans la chambre de combustion, et ainsi de réduire les émissions d’oxydes d’azote.
[0039] Les moyens de régulation de l’alimentation de la chambre de prémélange, en hydrogène et en air, peuvent notamment être configurés pour répartir un flux d’air arrivant dans la chambre de prémélange entre les moyens primaires d’amenée d’air et les moyens secondaires d’amenée d’air. Les moyens primaires d’amenée d’air peuvent notamment être configurés pour alimenter la chambre de prémélange en air avec un débit massique entre deux à cinquante fois supérieur à un débit massique d’air amené par les moyens secondaires.
[0040] Selon un autre aspect, il est proposé turbomachine comprenant le dispositif de combustion tel que précédemment décrit.
Brève description des dessins
[0041] 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
[0042] [Fig. 1] illustre schématiquement une vue en coupe partielle d’un dispositif de combustion selon la présente divulgation.
Fig. 2
[0043] [Fig. 2] illustre schématiquement une autre vue en coupe partielle du dispositif de combustion selon la présente divulgation.
Description des modes de réalisation
[0044] Il est maintenant fait référence aux figures 1 et 2 représentant schématiquement respectivement des vues en coupe partielles d’exemples de dispositif de combustion 100 à hydrogène selon le présent document. Le dispositif de combustion 100 peut être mise en oeuvre dans une turbine à gaz, ou une turbomachine, par exemple un turbopropulseur, ou un turboréacteur d’aéronef.
[0045] La chambre de combustion 10 peut être sensiblement annulaire autour d’un axe longitudinal X. De plus, la chambre de combustion 10 peut comporter une paroi annulaire radialement interne 12 et une paroi annulaire radialement externe 13 coaxiales d’axe correspondant à l’axe longitudinal X de la chambre de combustion 10. Les parois annulaires radialement interne 12 et externe 13 sont reliées à leur extrémité amont par une paroi annulaire de fond de chambre 11 , qui est notamment radiale, d’axe se confondant avec l’axe longitudinal X. [0046] Le dispositif de combustion 100 à hydrogène comprend une chambre de combustion 10 et au moins une chambre de prémélange 24 ayant un premier axe Y1 et une sortie 25 qui débouche dans la chambre de combustion 10. La sortie 25 de la chambre de prémélange 24 peut notamment déboucher en entrée de la chambre de combustion 10 et au travers de la paroi annulaire de fond chambre 11 .
[0047] De plus, le dispositif de combustion 100 comprend au moins un premier système d’injection
20 d’un mélange d’hydrogène et d’air dans la chambre de combustion 10 selon le premier axe Y1. Le premier système d’injection 20 comprend la chambre de prémélange 24, des moyens primaires
21 d’amenée d’air débouchant dans la chambre de prémélange 24 et au moins un premier orifice 22 d’arrivée d’hydrogène débouchant dans la chambre de prémélange 24 selon une direction qui est représenté comme étant sensiblement perpendiculaire au premier axe Y1 et à l’aval des moyens primaires 21 d’amenée d’air suivant le sens d’écoulement des gaz dans le dispositif de combustion 100.
[0048] Le sens d’écoulement des gaz dans le dispositif de combustion 100 est représenté par des flèches pleines sur la figure 1 .
[0049] L’angle entre la direction dudit au moins un premier orifice 22 et le premier axe Y1 est avantageusement compris entre 30° et 150°. Le flux d’hydrogène arrive donc sensiblement perpendiculairement au flux d’air provenant des moyens primaires d’amenée d’air dans la chambre de prémélange, ce qui permet d’améliorer l’homogénéité et la rapidité du mélange d’hydrogène et d’air.
[0050] Le dispositif de combustion 100 peut de préférence comprendre une pluralité de premiers systèmes d’injection 20 répartis annulairement autour de l’axe longitudinal X de la paroi annulaire de fond de chambre 11 .
[0051] Le dispositif de combustion 100 peut en outre comprendre un deuxième ou plusieurs deuxièmes systèmes d’injection 30 d’hydrogène dans la chambre de combustion 10 selon un deuxième axe Y2. Le deuxième système d’injection 30 comprend au moins un deuxième orifice 31 d’arrivée d’hydrogène débouchant dans la chambre de combustion 10.
[0052] Le dispositif de combustion 100 peut préférablement comprendre une pluralité de deuxièmes systèmes d’injection 30 répartis annulairement autour de l’axe longitudinal X de la paroi annulaire de fond de chambre 11 .
[0053] D’une part, ledit au moins un premier système d’injection 20 permet avantageusement d’assurer un mélange rapide et suffisamment homogène de l’air et de l’hydrogène dans la chambre de prémélange 24 avant d’alimenter la chambre de combustion 10 avec ce mélange. D’autre part, ledit un deuxième système d’injection 30 permet avantageusement de stabiliser le processus de combustion dans la chambre de combustion, en particulier à bas régime. Un tel dispositif de combustion 100 permet ainsi le développement d’une combustion à la fois aérodynamiquement stable et faiblement émettrice en oxydes d’azote dans la chambre de combustion. En outre, le dispositif de combustion selon la présente divulgation présente l’avantage de pouvoir être facilement optimisé, conçu et fabriqué.
[0054] Ledit au moins un premier système d’injection 20 peut déboucher dans la chambre de combustion 10 à une même position longitudinale que ledit au moins un deuxième système d’injection 30 selon l’axe longitudinal X.
[0055] Ledit au moins un deuxième système d’injection 30 peut être aménagé radialement à l’intérieur ou radialement à l’extérieur dudit au moins un premier système d’injection 20 selon le premier axe.
[0056] Le deuxième axe Y2 peut être incliné radialement vers l’intérieur par rapport au premier axe Y1.
[0057] La chambre de prémélange 24 peut avantageusement être délimitée extérieurement par une paroi cylindrique 241 dans laquelle est formé ledit au moins un premier orifice 22.
[0058] Par ailleurs, ledit au moins un premier orifice 22 correspond notamment à un orifice d’injection directe de combustible débouchant directement dans la chambre de prémélange 24.
[0059] Ledit au moins un deuxième orifice 31 correspond notamment à un orifice d’injection directe, débouchant directement dans la chambre de combustion 10.
[0060] Ledit au moins un premier orifice 22 peut comprendre au moins une rangée annulaire de premiers orifices 22, par exemple une rangée annulaire de premiers orifices 22 ou alternativement une pluralité de rangées annulaires de premiers orifices 22 espacées longitudinalement. La rangée annulaire de premiers orifices 22 permet avantageusement de distribuer annulairement l’alimentation en hydrogène de la chambre de prémélange, et ainsi d’améliorer l’homogénéité du mélange d’hydrogène et d’air dans la chambre de prémélange 24.
[0061] Chaque rangée annulaire de premiers orifices 22 peut comprendre deux premiers orifices 22, par exemple aménagés de manière diamétralement opposés par rapport à la chambre de prémélange 24.
[0062] Lesdits premiers orifices 22 de la rangée annulaire peuvent être alignés circonférentiellement de manière ce qu’au moins certains des premiers orifices 22, de préférence tous les premiers orifices 22, sont interceptés par un même plan perpendiculaire au premier axe Y1 .
[0063] Ledit au moins premier système d’injection 20 peut avantageusement comprendre une rampe annulaire d’alimentation en hydrogène entourant la chambre de prémélange 24 dudit premier système d’injection 20. Ladite rampe annulaire peut notamment comprendre au moins une rangée annulaire de premiers orifices 22, de préférence une rangée annulaire de premiers orifices 22. La rampe annulaire est alors configurée pour alimenter en hydrogène la chambre de prémélange 24 au travers des premiers orifices 22 de la rangée annulaire. Cette configuration permet de faciliter la mise en oeuvre de la rangée annuaire de premiers orifices.
[0064] Le dispositif de combustion 100 peut comprendre des moyens d’amenée en hydrogène reliée aux premiers orifices 22 et aux deuxièmes orifices 31 . [0065] Les moyens d’amenée en hydrogène peuvent par exemple comprendre une première conduite annulaire d’alimentation en hydrogène reliée à la rampe. Les moyens d’amenée peuvent également comprendre une conduite annulaire dont l’extrémité aval est reliée auxdits deuxièmes orifices 31 .
[0066] Chacun dudit au moins un premier système d’injection 20 peut comprendre au moins un micro-injecteur configuré pour projeter des micro-jets d’hydrogène à travers ledit au moins un premier orifice 22 et dans la chambre de prémélange 24.
[0067] Ledit au moins un premier orifice 22 peut déboucher dans la chambre de prémélange 24 en aval du moyen primaire d’amenée d’air 21 et idéalement proche de celui-ci. . Cette configuration permet d’améliorer l’efficacité du mélange d’hydrogène et d’air. En pratique, le dit premier orifice 22 est situé à proximité immédiate des moyens d’amenée d’air. L’orifice 22 est donc située dans la première moitié de la chambre de prémélange.
[0068] Chacun dudit au moins un premier orifice 22 peut présenter un diamètre compris entre 0,2 mm et 3 mm.
[0069] Chacun dudit au moins un deuxième système d’injection 30 peut comprendre au moins un micro-injecteur configuré pour projeter des micro-jets d’hydrogène à travers ledit au moins un deuxième orifice 31 et dans la chambre de combustion 10.
[0070] Chacun dudit au moins un deuxième orifice 31 peut présenter un diamètre compris entre 0,2 mm et 3 mm.
[0071] En outre, le premier système d’injection 20 peut avantageusement comprendre des moyens secondaires 23 d’amenée d’air débouchant dans la chambre de prémélange 24 en aval dudit au moins un premier orifice 22, de préférence à une extrémité aval de la chambre de prémélange 24. Ces moyens secondaires 23 d’amenée d’air permettent avantageusement de limiter le risque de remontée de flamme depuis la chambre de combustion 10 dans le premier système d’injection 20.
[0072] Les moyens secondaires 23 d’amenée d’air peuvent comprendre au moins un troisième orifice 231 débouchant dans la chambre de prémélange 24 en aval dudit au moins un premier orifice 22, de préférence à une extrémité aval de la chambre de prémélange 24.
[0073] Ledit au moins un troisième orifice 231 peut être orienté radialement vers l’intérieur et vers l’aval selon le premier axe Y1 .
[0074] Le premier système d’injection 20 peut avantageusement comprendre au moins une rangée annulaire de troisièmes orifices 231 , par exemple une rangée annulaire de troisièmes orifices 231. Chaque rangée annulaire de troisièmes orifices 231 peut par exemple comprendre deux troisièmes orifices 231 , de préférence aménagés de manière diamétralement opposés par rapport à la chambre de prémélange 24.
[0075] Les deux troisièmes orifices 231 peuvent par exemple être aménagés respectivement radialement à l’intérieur et radialement à l’extérieur de la chambre de prémélange 24 par rapport à l’axe longitudinal X. [0076] Chacun dudit au moins un troisième orifice 231 peut présenter un diamètre compris entre 0,05 mm et 3 mm.
[0077] Avantageusement, les moyens primaires d’amenée d’air peuvent être configurés pour alimenter la chambre de prémélange en air tourbillonnaire, couramment désigné sous le terme « swirl » en langue anglaise. Cette caractéristique permet d’améliorer la maîtrise de l’aérodynamique dans la chambre de prémélange, et de permettre un mélange rapide et sensiblement homogène de l’air et de l’hydrogène dans la chambre de prémélange.
[0078] Le dispositif de combustion peut comprendre des moyens de régulation de l’alimentation de la chambre de prémélange en hydrogène et en air configurés pour réaliser un mélange pauvre d’hydrogène et d’air dans la chambre de prémélange. La chambre de prémélange est avantageusement destinée à recevoir ce mélange pauvre d’hydrogène et d’air. On entend par « pauvre » que l’air est en excès par rapport à l’hydrogène dans la chambre de prémélange. Inversement, on entend par « riche » que l’hydrogène est en excès par rapport à l’air, en regard de la stœchiométrie. La combustion du prémélange pauvre permet avantageusement de diminuer la température de flamme dans la chambre de combustion, et ainsi de réduire les émissions d’oxydes d’azote.
[0079] Les moyens de régulation de l’alimentation de la chambre de prémélange en hydrogène et en air peuvent notamment être configurés pour répartir un flux d’air arrivant dans la chambre de prémélange entre les moyens primaires d’amenée d’air et les moyens secondaires d’amenée d’air. Les moyens primaires d’amenée d’air peuvent notamment être configurés pour alimenter la chambre de prémélange en air avec un débit massique entre deux à cinquante fois supérieur à un débit massique d’air amené par les moyens secondaires.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif de combustion (100) à hydrogène comprenant :
- une chambre annulaire de combustion (10) d’axe longitudinal (X) et au moins une chambre de prémélange (24) ayant un premier axe (Y1 ) et une sortie (25) qui débouche dans la chambre de combustion (10),
- au moins un premier système d’injection (20) d’un mélange d’hydrogène et d’air dans la chambre de combustion (10) selon le premier axe (Y1 ), le premier système d’injection (20) comprenant la chambre de prémélange (24), des moyens primaires (21 ) d’amenée d’air débouchant dans la chambre de prémélange (24) et au moins un premier orifice (22) d’arrivée d’hydrogène débouchant dans la chambre de prémélange (24) à l’aval des moyens primaires (21 ) d’amenée d’air suivant le sens d’écoulement des gaz dans le dispositif de combustion (100), le premier système d’injection (20) comprenant des moyens secondaires (23) d’amenée d’air débouchant dans la chambre de prémélange (24) en aval dudit au moins un premier orifice (22).
[Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1 , comprenant au moins un deuxième système d’injection (30) d’hydrogène dans la chambre de combustion (10) selon un deuxième axe (Y2), le deuxième système d’injection (30) comprenant au moins un deuxième orifice (31 ) d’arrivée d’hydrogène débouchant dans la chambre de combustion (10).
[Revendication 3] Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un premier orifice (22) comprend une rangée annulaire de premiers orifices (22).
[Revendication 4] Dispositif de combustion (100) selon la revendication 3, dans lequel lesdits premiers orifices (22) de la rangée annulaire sont alignés circonférentiellement de manière à ce qu’au moins certains des premiers orifices (22), de préférence tous les premiers orifices (22), sont interceptés par un même plan perpendiculaire au premier axe (Y1 ).
[Revendication 5] Dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit au moins premier système d’injection (20) comprend une rampe annulaire d’alimentation en hydrogène entourant la chambre de prémélange (24) dudit premier système d’injection (20).
[Revendication 6] Dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications 1 à 5 et la revendication 2, dans lequel le deuxième axe (Y2) est incliné radialement vers l’intérieur par rapport au premier axe (Y1 ).
[Revendication 7] Dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les moyens secondaires (23) d’amenée d’air comprennent au moins un troisième orifice (231 ) formé à une extrémité aval de la chambre de prémélange (24).
[Revendication s] Dispositif de combustion (100) selon la revendication 7, dans lequel ledit au moins un troisième orifice (231 ) est orienté radialement vers l’intérieur et vers l’aval selon le premier axe (Y1 ).
[Revendication 9] Dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la chambre de prémélange (24) est délimitée extérieurement par une paroi cylindrique (241) dans laquelle est formé ledit au moins un premier orifice (22).
[Revendication 10] Dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la sortie (25) de la chambre de prémélange (24) débouche en entrée de la chambre annulaire de combustion (10) et au travers d’une paroi annulaire de fond chambre (11) de la chambre annulaire de combustion (10).
[Revendication 11] Dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pluralité de premiers systèmes d’injection (20) répartis annulairement autour de l’axe longitudinal (X).
[Revendication 12] Dispositif de combustion selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel ledit au moins un premier orifice d’arrivé d’hydrogène débouche dans la chambre de prémélange selon une direction formant un angle avec le premier axe compris entre 30° et 150°.
[Revendication 13] Turbomachine comprenant le dispositif de combustion (100) selon l’une des revendications 1 à 12.
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