FR2474648A1

FR2474648A1 - Steam generator for turbine - has mixer burner which generates steam direct in combustion chamber

Info

Publication number: FR2474648A1
Application number: FR8001657A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1981-07-31
Also published as: FR2474648B1

Abstract

The steam turbine (1) is fed by fuel burners (7). Each has a combustion tube (13) which has a five pointed star section. The tube is closed at the outer end by a breech block (10). This houses the atomiser/injector (22) and the ignitor (23) as well as five air/water injectors (24,25). The burners first burn the fuel, which raises the temperature of the combustion chamber above that of the vaporisation temperature of water. The secondary phase of atomised water injection results in an instantaneous generation of steam. The mixture of steam and products of combustion passes through convergent/divergent nozzles (8) to drive the turbine.

Description

L'invention est relative à la production de vapeur suivant un procedé a la fois de rendement elevé et exempt de pollution , au moyen d'un génerateur perfectionne. The invention relates to the production of steam according to a process which is both high efficiency and pollution-free, by means of an improved generator.

L'invention a donc pour objet un genérateur de vapeur, notamment pour moteurs à vapeur, constitue par une chambre de combustion munie d'au moins un bruleur d'un mélange combusti ble-comburant, et, par un échangeur de chaleur permettant l'échange de chaleur entre le mélange brûle et un fluide caloriporteur non combustible destine a constituer la vapeur. The subject of the invention is therefore a steam generator, in particular for steam engines, constituted by a combustion chamber provided with at least one burner of a combustible-oxidant mixture, and, by a heat exchanger allowing the heat exchange between the burned mixture and a non-combustible heat transfer fluid intended to constitute the vapor.

La chambre de combustion comprend une paroi principale et d'une part, le ou lesdits brûleurs de mélange combusti- ble-comburant, d'autre part, au moins un injecteur pulvérisateur dudit fluide caloriporteur, cependant que la température résultant de la combustion est au moins égale à la tempe rature de vaporisation de ce fluide caloriporteur. The combustion chamber comprises a main wall and, on the one hand, the said burner (s) of fuel-oxidant mixture, on the other hand, at least one injector spraying said heat-transfer fluid, while the temperature resulting from combustion is at less equal to the vaporization temperature of this heat transfer fluid.

Les avantageuses dispositions suivantes sont, en outre, souvent adoptées
- une paroi secondaire munie d'évents s'entend longitudinalement a l'intérieur de la chambre en étant, au moins par endroits, écartée de la paroi principale de manière à ménager entre les parois principale et secondaire au moins un espace, cependant que le ou les brûleurs pénètrent dans la chambre de combustion d'un cté de la paroi secondaire, le ou les injecteurs pénétrant dans ladite chambre de combustion du côté de cette paroi secondaire opposé au ou aux brûleurs, dans le ou lesdits espaces
- la paroi secondaire constitue, h l'intérieur de la chambre, une sorte de manchon ajouré, à l'intérieur duquel débouchent le ou les brûleurs, et, à l'extérieur duquel, entre lui-neme et la paroi principale, débouchent le ou les injecteurs
- le manchon presente une section transversale en forme d'étoile h plusieurs branches, chaque injecteur débouchant entre deux branches ;
- la chambre de combustion présente une forme allongée, et est limitée à l'une de ses extrémités par une culasse, -support du ou desdits brûleurs et injecteurs
- la chambre de combustion est prolongée, à son autre extrémité, par une tuyere convergente - divergente.In addition, the following advantageous arrangements are often adopted
a secondary wall fitted with vents is understood longitudinally inside the chamber, being, at least in places, spaced from the main wall so as to provide at least one space between the main and secondary walls, while the or the burners enter the combustion chamber on one side of the secondary wall, the injector or injectors penetrating said combustion chamber on the side of this secondary wall opposite to the burner (s), in the said space or spaces
- The secondary wall constitutes, inside the chamber, a kind of perforated sleeve, inside which open the burner (s), and, outside which, between itself and the main wall, open the or the injectors
- The sleeve has a star-shaped cross section with several branches, each injector opening between two branches;
- The combustion chamber has an elongated shape, and is limited at one of its ends by a cylinder head, -support of said burner and injectors
- the combustion chamber is extended, at its other end, by a convergent - divergent nozzle.

Ltinvention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaltront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-dessous à titre d'exemple. The invention will be better understood, and secondary characteristics and their advantages will appear during the description of an embodiment given below by way of example.

I1 est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'd titre indicatif et non limitatif. It is understood that the description and the drawings are given for information only and are not limiting.

I1 sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est la coupe d'une turbine alimentée par plusieurs générateurs de vapeur conformes à l'invention
- la figure 2 est une vue perspective d'une partie d'un des générateurs de vapeur, dont est équipée la turbine de la figure 1
- la figure 3 est une vue de la culasse du générateur de vapeur de la figure 2, vue de l'intérieur de ce généra- teur suivant flèche F de la figure 4 ;
- la figure 4 est une coupe axiale du générateur de vapeur de la figure 3, suivant IV-IV de cette figure
- les figures 5 et 6 sont des coupes des raccords d'admission d'eau et d'air ;
- la figure 7 est une coupe axiale verticale, suivant
VII-VII de la figure 8, de la tuyère que comporte le générateur de vapeur des figures 2 à 4 ;;
- la figure 8 est une vue suivant fleche G de la figure 7 3 et,
- la figure 9 est une coupe suivant IX-IX de la figure 7.Reference will be made to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is the section of a turbine powered by several steam generators according to the invention
- Figure 2 is a perspective view of part of one of the steam generators with which the turbine of Figure 1 is fitted
- Figure 3 is a view of the cylinder head of the steam generator of Figure 2, seen from the inside of this generator according to arrow F of Figure 4;
- Figure 4 is an axial section of the steam generator of Figure 3, along IV-IV of this figure
- Figures 5 and 6 are sections of the water and air intake fittings;
- Figure 7 is a vertical axial section along
VII-VII of Figure 8, the nozzle that includes the steam generator of Figures 2 to 4 ;;
FIG. 8 is a view along arrow G of FIG. 7 3 and,
- Figure 9 is a section along IX-IX of Figure 7.

L'ensemble représenté sur la figure 1 comporte
- un stator 1 de turbine, réalisé en deux parties (demi-carter inférieur et demi-carter supérieur),
- un arbre 2 de turbine, qui est monté à rotation dans le statorl,
- un rotor de turbine 3, qui supporte trois aubages mobiles -4, eux-mêmes disposés en regard de deux aubages 5 fixés sur le statorl,
- un conduit 6, d'échappement vers un condenseur, du mélange qui a travaillé dans les aubages,
- plusieurs chambres de combustion 7, dont deux sont représentees, qui alimentent en mélange moteur les aubages de la turbine, et qui sont fixées sur le stator 1,
- plusieurs tuyères 8 convergentes - divergentes, une par chambre de combustion, interposée entre ladite chambre correspondante et les aubages.The assembly shown in Figure 1 includes
- a turbine stator 1, produced in two parts (lower half-casing and upper half-casing),
- a turbine shaft 2, which is rotatably mounted in the stator,
a turbine rotor 3, which supports three mobile blades -4, themselves arranged opposite two blades 5 fixed on the stator,
- a conduit 6, exhaust to a condenser, of the mixture which has worked in the blades,
several combustion chambers 7, two of which are shown, which supply the turbine blades with engine mixture, and which are fixed to the stator 1,
- Several convergent - divergent nozzles 8, one per combustion chamber, interposed between said corresponding chamber and the blades.

Chaque chambre de combustion 7 comprend elle-meme :
- une paroi cylindrique allongée 9, délimitée intérieurement par une face 10, dite paroi principale,
- une culasse 11, qui est fixée, ainsi que la paroi principale 9, sur le stator par des goujons 12 visses-sur le stator, et qui est disposée a une extrémité de la paroi principale 9 et en réalise l'obturation,
- un manchon 13,
dont, dans l'exemple représenté, la section droite est conformée en une étoile régulière à cinq branches,
qui comporte -des pattes de fixation 14 situées dans le plan de l'une de ses sections transversales extrêmes et permettant la fixation dudit manchon sur la culasse 11 au moyen de vis 15,
dont l'axe 16 est confondu avec l'axe de la paroi principale 9,
dont les arêtes 17 des branches de l'étoile sont proches de la face interne 10 de la paroi principale 9 et sont munies de trous découpés 18 réalisant la communication entre les espaces 19 compris entre la face externe 20E du manchon 13 et la face interne 10 de la paroi principale, et, l'espace 21 délimité par la face interne 20I dudit manchon, et
qui, enfin, constitue, pour la chambre de com- bustion, une paroi secondaire, et,
- un fond 13a du manchon 13, qui en constitue l'extré- mité voisine de la culasse 11, et permet l'obtention de l'étanchéité entre le manchon et la culasse 11, avec interposition d'un joint. Each combustion chamber 7 itself comprises:
an elongated cylindrical wall 9, delimited internally by a face 10, called the main wall,
- a cylinder head 11, which is fixed, as well as the main wall 9, on the stator by studs 12 screws-on the stator, and which is arranged at one end of the main wall 9 and obtains the obturation thereof,
- a sleeve 13,
of which, in the example shown, the cross section is shaped into a regular star with five branches,
which comprises - fixing lugs 14 located in the plane of one of its extreme cross sections and allowing the fixing of said sleeve on the cylinder head 11 by means of screws 15,
whose axis 16 coincides with the axis of the main wall 9,
the edges 17 of the branches of the star of which are close to the internal face 10 of the main wall 9 and are provided with cut holes 18 providing communication between the spaces 19 comprised between the external face 20E of the sleeve 13 and the internal face 10 of the main wall, and, the space 21 delimited by the internal face 20I of said sleeve, and
which, finally, constitutes, for the combustion chamber, a secondary wall, and,
a bottom 13a of the sleeve 13, which constitutes its end close to the cylinder head 11, and allows obtaining the seal between the sleeve and the cylinder head 11, with the interposition of a seal.

Une culasse 11 est munie
- d'un brûleur 22, injecteur d'un mélange dosé d'air et de combustible (gaz, ou, alcool pulvérisé ou analogue, par exemple), disposé au centre de la culasse, coaxialement l'axe 16, et débouchant dans l'espace 21,
- d'une bougie d'allumage 23, permettant l'inflammation par commande électrique, du mélange air-combustible, disposée côté du brûleur 22, et débouchant également dans l'espace 21,
- quatre injecteurs 24 d'un mélange d'air et d'eau pulvérisée qui débouchent chacun dans l'un des cinq espaces 19 exté- rieurs au manchon 13 et alimentent la chambre de combustion en régime établi, et,
- un injecteur 25 d'un mélange air-eau pulvérisée, qui débouche dans le cinquième des cinq espaces 39 et qui réalise l'alimentation en régime de ralenti.A cylinder head 11 is provided
- a burner 22, injector of a metered mixture of air and fuel (gas, or, pulverized alcohol or the like, for example), placed in the center of the cylinder head, coaxially with the axis 16, and opening into the 'space 21,
- a spark plug 23, allowing ignition by electrical control, of the air-fuel mixture, disposed on the side of the burner 22, and also opening into the space 21,
four injectors 24 of a mixture of air and sprayed water which each open into one of the five spaces 19 outside the sleeve 13 and supply the combustion chamber in steady state, and,
- An injector 25 of a sprayed air-water mixture, which opens into the fifth of the five spaces 39 and which provides the feed in idle speed.

Les arrivées d'eau et d'air dans la culasse, destinées alimenter les divers injecteurs de mélange air-eau pulvérisée sont réalisées par des dispositifs 28 et 29, tels que ceux représentes sur les figures 5 et 6, qui débouchent dans des conduits 26 et 27 de la culasse 11, eux-memes en communication avec les injecteurs 24 et 25, respectivement. The water and air inlets in the cylinder head, intended to supply the various injectors of sprayed air-water mixture, are produced by devices 28 and 29, such as those shown in FIGS. 5 and 6, which open into conduits 26 and 27 of the cylinder head 11, themselves in communication with the injectors 24 and 25, respectively.

Un dispositif d'arrivée d'eau 28 comprend un corps 30, qui est muni d'un filetage 31 de fixation sur la culasse 11, d'un raccord d'admission de l'eau 32 et d'un raccord de sortie de l'eau 33, de deux gicleurs successifs 34, 35, le premier connecté au raccord de sortie 33, d'une vis de réglage des ajutages 36 et d'un capuchon 37 de cette vis. Ce dispositif est fixé sur la culasse par vissage du filetage 31 dans un taraudage 38 de cette culasse qui débouche dans le conduit 26. A water inlet device 28 comprises a body 30, which is provided with a thread 31 for attachment to the cylinder head 11, a water inlet connection 32 and an outlet connection of the water 33, two successive nozzles 34, 35, the first connected to the outlet fitting 33, a screw adjusting the nozzles 36 and a cap 37 of this screw. This device is fixed to the cylinder head by screwing the thread 31 into a thread 38 of this cylinder head which opens into the duct 26.

Un dispositif d'arrivée d'air 29 comprend un corps 39 vissé par son filetage 40 dans un taraudage 41 de la culasse et muni d'un raccord 42 d'arrivée d'air et d'un orifice 43 de sortie d'air dans le conduit 27. An air inlet device 29 comprises a body 39 screwed by its thread 40 into a thread 41 of the cylinder head and provided with an air inlet connector 42 and an orifice 43 for air outlet in the conduit 27.

L'extrémité du manchon 13 opposée celle fixée sur la culasse 11 débouche dans le col évase 44 de la partie convergente de la tuyere 8. Le col évasé 45 de la partie divergente de la tuyère 8 debouche, quant à lui, en regard des premiers aubages mobiles 4. La forme de la tuyère est plus particulierement définie par les figures 7 à 9. The end of the sleeve 13 opposite that fixed on the cylinder head 11 opens into the flared neck 44 of the converging part of the nozzle 8. The flared neck 45 of the diverging part of the nozzle 8 opens, in turn, facing the first movable blades 4. The shape of the nozzle is more particularly defined by FIGS. 7 to 9.

La disposition conforme à l'invention présente certains avantages qui vont maintenant être vus. The arrangement according to the invention has certain advantages which will now be seen.

Chaque chambre de combustion permet d'abord, dans l'espace 21 intérieur au manchon 13, la combustion d'un combustible d'alimentation, tel qu'un gaz ou de l'alcool pulvérisé. Each combustion chamber first allows, in the space 21 inside the sleeve 13, the combustion of a feed fuel, such as a gas or sprayed alcohol.

Cette combustion est telle que la température atteinte est au moins égale, mais généralement supérieure à la température de vaporisation de l'eau. Ainsi, l'eau pulverisée introduite par les injecteurs 24 et 25 est-elle instantanément vaporisée et transformée en une vapeur utilisable.This combustion is such that the temperature reached is at least equal, but generally higher than the water vaporization temperature. Thus, the sprayed water introduced by the injectors 24 and 25 is instantly vaporized and transformed into usable steam.

Les chambres de combustion comprenant a la fois des bruleurs a combustible et des injecteurs d'eau pulvérisée constituent donc de veritables génerateurs de vapeur. Combustion chambers comprising both fuel burners and water spray injectors therefore constitute real steam generators.

A noter que les produits de la combustion, situés initialement à l'intérieur du manchon 13, et qui contiennent une quantité de chaleur importante, ne sont pas rejetes dans un conduit d'échappement de fumée, comme dans les dispositifs classiquels, mais sont, au contraire, remélangés à la vapeur produite pour former le mélange utilisable, et, dans l'exemple représenté, utilise pour alimenter les aubages 4 et 5 de la turbine. De cette manière, on supprime une grande partie des pertes thermiques des dispositifs connus antérieurement. Note that the combustion products, initially located inside the sleeve 13, and which contain a significant amount of heat, are not discharged into a smoke exhaust duct, as in conventional devices, but are, on the contrary, remixed with the steam produced to form the usable mixture, and, in the example shown, uses to feed the blades 4 and 5 of the turbine. In this way, a large part of the heat losses of the previously known devices is eliminated.

La combustion est, par ailleurs, réalisée dans de bonnes conditions, le brûleur 22 et la bougie 23 étant protégés des projections d'eau par la présence du manchon 13 dont seule la partie la plus éloignée desdits bruleur et bougie est munie des trous 18. The combustion is, moreover, carried out under good conditions, the burner 22 and the spark plug 23 being protected from splashing water by the presence of the sleeve 13 of which only the part farthest from said burner and spark plug is provided with holes 18.

Par ailleurs, l'existence de ces memes trous 18 rend possible un echange efficace de chaleur entre les produits de la combustion et les particules d'eau pulverisee,.et par conséquent, permet une vaporisation parfaite desdites particules. Furthermore, the existence of these same holes 18 makes it possible to exchange heat efficiently between the products of combustion and the particles of water spray, and therefore allows perfect vaporization of said particles.

Enfin, la présence des tuyères convergentes -divergentes 8 permet une utilisation de rendement élevé du mélange d'alimentation des aubages. Finally, the presence of the converging-divergent nozzles 8 allows a high efficiency use of the feed mixture of the blades.

Les dispositions préconisées se distinguent de leurs homologues antérieures à la fois par leur compacité, et par leur aptitude permettre d'importantes dconomies d'énergie. The recommended provisions are distinguished from their previous counterparts both by their compactness, and by their ability to allow significant energy savings.

L'invention n'est pas limitée a la réalisation décrite, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient lui etre apportées sans sortir de son cadre, ni de son esprit. The invention is not limited to the embodiment described, but on the contrary covers all the variants which could be made to it without departing from its scope or its spirit.

Claims

I - Steam generator, notably for steam engines, constituted by a combustion chamber provided with at least one burner of a fuel-oxidant mixture, and, by a heat exchanger allowing the exchange of heat between the burned mixture and a non-combustible heat transfer fluid intended to constitute the vapor, characterized in that the combustion chamber has a main wall and, on the one hand, the said burner (s) of fuel-oxidant mixture, on the other hand, at least one sprayer injector of said heat transfer fluid, while the temperature resulting from combustion is at least equal to the vaporization temperature of this heat transfer fluid.

2 - Steam generator according to claim 1, characterized in that a secondary wall provided with vents extends longitudinally inside the chamber being, at least in places, away from the main wall so as to spare between the main and secondary walls at least one. space, and in that the burner (s) enter the combustion chamber of a caté of the secondary wall, the injector (s) penetrating into said combustion chamber on the side of this secondary wall opposite to the burner (s), in the or said spaces.

3 - Steam generator according to claim 2, characterized in that the secondary wall constitutes, inside the chamber, a kind of perforated sleeve, inside which open the burner (s), and, outside which, between Ini-meme and the main wall, open the injector (s).

4 - Steam generator according to claim 3, characterized in that the sleeve has a star-shaped cross section with several branches, each injector opening between two branches.

5 - Steam generator according to any one of claims I 4, characterized in that the combustion chamber has an elongated shape, and is limited 9 at one of its ends by a cylinder head, -support or said burners and injectors.

6 - Steam generator according to claim 5, characterized in that the combustion chamber is extended, at its other end, by a convergent - divergent nozzle.