FR2965605A1

FR2965605A1 - Turbomachine incluant un element de tube de melange comportant un generateur de tourbillons

Info

Publication number: FR2965605A1
Application number: FR1158903A
Authority: FR
Inventors: Jonathan Dwight Berry; Chunyang Wu; Baifang Zuo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2012-04-06
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: FR2965605B1; US8925324B2; DE102011054174B4; JP2012093077A; CN102563700A; DE102011054174A1; JP5947515B2; CN102563700B; US20120079829A1

Abstract

Une turbomachine (2) comporte une section de compresseur (4), une chambre de combustion (8, 30, 47, 50) reliée fonctionnellement à la section de compresseur (4), un capot d'extrémité (10) monté sur la chambre de combustion (8, 30, 47, 50), et un ensemble de buses d'injection (20, 21, 22) reliées fonctionnellement à la chambre de combustion (8, 30, 47, 50). L'ensemble de buses d'injection (20, 21, 22) comporte une pluralité d'éléments de tube de mélange (100). Chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange (100) comporte une conduite (130) ayant une première entrée de fluide (132), une seconde entrée de fluide (134) agencée en aval de la première entrée de fluide (132), une extrémité d'évacuation (137) agencée en aval des première et seconde entrées de fluide (132, 134) et un générateur de tourbillons (144, 170, 184, 193, 194, 195, 220, 222) agencé entre les première et seconde entrées de fluide (132, 134). Le générateur de tourbillons (144, 170, 184, 193, 194, 195, 220, 222) est configuré et disposé de manière à créer des tourbillons multiples dans la conduite (130), destinés à mélanger des premier et second fluides (132, 134) traversant chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange (100).

Description

B 11-4467FR 1 Turbomachine incluant un élément de tube de mélange comportant un générateur de tourbillons Le sujet ici décrit concerne la technique des turbomachines et plus particulièrement, une turbomachine incluant un élément de tube de mélange comportant un générateur de tourbillons. Les moteurs à turbine à gaz brûlent généralement un mélange air/carburant qui libère de l'énergie thermique afin de former un courant de gaz à haute température. Le courant de gaz à haute température est canalisé vers une section de turbine par l'intermédiaire d'un trajet de gaz chauds. La section de turbine convertit l'énergie thermique du courant de gaz à haute température en énergie mécanique, qui fait tourner un arbre. La section de turbine peut être utilisée dans une diversité d'applications, par exemple pour fournir de l'énergie à une pompe ou à un générateur d'électricité. Dans une turbine à gaz, le rendement du moteur augmente à mesure que la température du courant de gaz de combustion augmente. Malheureusement, des températures élevées du courant de gaz produisent des niveaux élevés d'oxydes d'azote (NOx), émissions soumises à la fois à une réglementation fédérale et des états. Un bon compromis doit donc être trouvé entre le fonctionnement des sections de turbine à gaz dans un domaine efficace, tout en garantissant également que la sortie de NOx reste inférieure aux niveaux réglementaires. Un procédé permettant d'obtenir de faibles niveaux de NOx consiste à assurer un bon mélange du carburant et de l'air avant la combustion.

Selon un aspect de l'invention, une turbomachine comporte une section de compresseur, une chambre de combustion reliée fonctionnellement à la section de compresseur, un capot d'extrémité monté sur la chambre de combustion et un ensemble de buses d'injection reliées fonctionnellement à la chambre de combustion. L'ensemble de buses d'injection comporte une pluralité d'éléments de tube de mélange. Chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange comporte une conduite ayant une première entrée de fluide, une seconde entrée de fluide agencée en aval de la première entrée de fluide, une extrémité d'évacuation agencée en aval des première et seconde entrées de fluide et un générateur de tourbillons agencé entre les première et seconde entrées de fluide. Le générateur de tourbillons est configuré et disposé de manière à créer des tourbillons multiples dans la conduite, destinés à mélanger des premier et second fluides traversant chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange. Selon un autre aspect de l'invention, un élément de tube de mélange comporte une conduite ayant une première entrée de fluide, une seconde entrée de fluide agencée en aval de la première entrée de fluide et une extrémité d'évacuation agencée en aval des première et seconde entrées de fluide et un générateur de tourbillons agencé entre les première et seconde entrées de fluide. Le générateur de tourbillons est configuré et disposé de manière à créer des tourbillons multiples dans la conduite, destinés à mélanger des premier et second fluides traversant l'élément de tube de mélange. Selon encore un autre aspect de l'invention, un procédé de mélange d'un premier et d'un second fluide dans un ensemble de buses d'injection d'une turbomachine comporte le passage d'un premier fluide dans une première entrée de fluide d'un élément de tube de mélange agencé dans l'ensemble de buses d'injection, le guidage d'un second fluide dans une seconde entrée de fluide de l'élément de tube de mélange. La seconde entrée de fluide est agencée en aval de la première entrée de fluide. Une partie du premier fluide est introduite dans un générateur de tourbillons agencé entre les première et seconde entrées de fluide, des tourbillons multiples sont générés dans l'élément de tube de mélange afin de mélanger les premier et second fluides. Ces avantages et caractéristiques ainsi que d'autres apparaîtront mieux d'après la description qui suit, effectuée conjointement avec les dessins. Le sujet que concerne l'invention est particulièrement souligné et distinctement revendiqué dans les revendications à la conclusion de la spécification. Les caractéristiques et avantages précédents de l'invention ainsi que d'autres apparaissent d'après la description détaillée qui suit, effectuée conjointement avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en section transversale d'une turbomachine incluant des éléments de tube de mélange munis de générateurs de tourbillon selon un exemple de mode de réalisation ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale partielle d'une chambre de combustion, incluant une pluralité d'ensembles de buses d'injection selon un exemple de mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale partielle d'un ensemble de buses d'injection de la figure 3 incluant une pluralité d'éléments de tube de mélange selon un exemple de mode de réalisation ; - la figure 4 est une vue détaillée d'une première entrée de fluide, d'une seconde entrée de fluide et d'un générateur de tourbillons d'un élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en perspective partielle de l'élément de tube de mélange de la figure 4 illustrant la première entrée de fluide et le générateur de tourbillons selon un aspect de l'exemple de mode de réalisation ; - la figure 6 est une représentation graphique d'un tourbillon double créé par le générateur de tourbillons illustré à la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en perspective partielle d'un élément de tube de mélange illustrant un générateur de tourbillons selon un autre aspect de l'exemple de mode de réalisation ; - la figure 8 est une vue en perspective partielle d'un élément de tube de mélange illustrant un générateur de tourbillons selon encore un autre aspect de l'exemple de mode de réalisation ; - la figure 9 est une vue plane d'un élément de tube de mélange comportant un générateur de tourbillons selon toujours un autre aspect de l'exemple de mode de réalisation ; - la figure 10 est une vue en élévation de l'élément de tube de mélange de la figure 9 ; et - la figure 11 est une vue plane d'un élément de tube de mélange comportant un générateur de tourbillons selon encore un autre aspect de l'exemple de mode de réalisation. La description détaillée explique des modes de réalisation de l'invention, ainsi que des avantages et caractéristiques, à titre d'exemple, en référence aux dessins. En référence initiale à la figure 1, une turbomachine construite selon des exemples de mode de réalisation est indiquée de façon générale en 2. La turbomachine 2 comporte une section de compresseur 4 reliée fonctionnellement à une section de turbine 6 par l'intermédiaire d'un arbre commun compresseur/turbine (non représenté). La section de compresseur 4 est également reliée à une section de turbine 6 par l'intermédiaire d'un assemblage de chambre de combustion 8. Bien qu'elle soit représentée avec un seul assemblage de chambre de combustion, on comprendra que la turbomachine 2 peut inclure une pluralité d'assemblages de chambre de combustion agencés, par exemple, dans un réseau tubo-annulaire. L'assemblage de chambre de combustion 8 comporte un capot d'extrémité 10 qui, comme il va être expliqué plus en détail ci-dessous, supporte une pluralité d'ensembles de buses d'injection 20 à 22. Comme il va être expliqué plus en détail ci-dessous, les ensembles de buses d'injection 20 à 22 délivrent un mélange air/carburant dans une chambre de combustion 30. Le mélange de carburant et d'air est brûlé, formant des gaz de combustion qui sont délivrés à un premier étage 33 de la section de turbine 6.

Comme on le voit mieux sur la figure 2, l'assemblage de chambre de combustion 8 est couplé en communication d'écoulement avec la section de compresseur 4 et une section de turbine 6. La section de compresseur 4 comporte un diffuseur 40 couplé de manière fluide à un plénum d'évacuation 43 de la section de compresseur. L'assemblage de chambre de combustion 8 comporte en outre un carter de chambre de combustion 47 et une garniture de chambre de combustion 50. Comme représenté, la garniture de la chambre de combustion 50 est positionnée radialement vers l'intérieur par rapport au carter de la chambre de combustion 47, afin de définir la chambre de combustion 30. Un passage de refroidissement de chambre de combustion annulaire 54 est défini entre le carter de la chambre de combustion 47 et la garniture de la chambre de combustion 50. Une pièce de transition 59 couple l'assemblage de chambre de combustion 8 à la section de turbine 6. La pièce de transition 59 canalise les gaz de combustion générés dans la chambre de combustion 30 en aval vers le premier étage 33 de la section de turbine 6. Vers cette extrémité, la pièce de transition 59 comporte une paroi intérieure 64 et une paroi extérieure 65. La paroi extérieure 65 comporte une pluralité d'ouvertures 66 conduisant à un passage annulaire 68 défini entre la paroi intérieure 64 et la paroi extérieure 65. La paroi intérieure 64 définit une cavité de guidage 72 s'étendant entre la chambre de combustion 30 et la section de turbine 6. On comprendra à ce moment que la construction décrite ci- dessus est présentée en vue d'une compréhension plus complète des exemples de mode de réalisation, qui sont orientés vers la structure particulière des ensembles de buses d'injection 20 à 22. La forme particulière de la turbomachine dans laquelle peuvent être incorporés les ensembles de buses d'injection 20 à 22 de l'exemple de mode de réalisation peut varier. Puisque chaque ensemble de buses d'injection 20 à 22 est formé de manière similaire, une description détaillée va suivre, en référence à l'ensemble de buses d'injection 20, en comprenant que les ensembles de buses d'injection 21 et 22 ont une structure correspondante.

Comme représenté à la figure 3, l'ensemble de buses d'injection 20 comporte un boîtier extérieur 82 définissant un premier plénum de fluide 84. Un second tube de fourniture de fluide 86 traverse le premier plénum de fluide 84. Un second tube de fourniture de fluide 86 comporte une entrée 88 disposée sur le capot d'extrémité 10 s'étendant vers une sortie 90 à travers un second plénum de fluide 92. La sortie 90 se termine sur un second coeur ou plénum de fluide 95 s'étendant autour d'une partie d'une pluralité d'éléments de tube de mélange 100. Les éléments de tube de mélange 100 sont agencés en un réseau annulaire autour de la sortie 90 et d'un résonateur 104. Le résonateur 104 comporte une pluralité d'entrées de fluide de refroidissement, l'une d'entre elles étant indiquée en 106, qui dirigent un fluide de refroidissement, par exemple l'air d'extraction, à travers une zone centrale des éléments de tube de mélange 100. Un fluide de refroidissement supplémentaire traverse une pluralité d'ouvertures de refroidissement, l'une d'entre elles étant indiquée en 110, dans un plénum de fluide de refroidissement 110 s'étendant autour des éléments de tube de mélange 100 entre le second coeur de fluide 95 et une face d'extrémité 114 de l'ensemble de buses d'injection 20.

I1 va maintenant être fait référence à la figure 4 qui illustre un élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange 100, indiqué de façon générale par 120 en comprenant que les éléments de tube de mélange restants 100 ont une structure similaire. L'élément de tube de mélange 120 comporte une conduite 130 ayant une première entrée de fluide 132, une seconde entrée de fluide 134 et une extrémité d'évacuation 137 (figure 3). La seconde entrée de fluide 134 est agencée en aval de la première entrée de fluide 132. L'extrémité d'évacuation 137 est agencée en aval de la première entrée de fluide 132 et de la seconde entrée de fluide 134. Dans l'exemple de mode de réalisation présenté, la première entrée de fluide 132 est munie d'une restriction d'écoulement 140. La restriction d'écoulement 140 détermine un débit désiré à travers l'élément de tube de mélange 120. Comme on le voit mieux sur la figure 5, l'élément de tube de mélange 120 comporte un générateur de tourbillons 144. Selon l'exemple de mode de réalisation présenté, le générateur de tourbillons 144 comprend une ouverture 146 se présentant sous la forme d'une fente allongée formée entre la première entrée de fluide 132 et la seconde entrée de fluide 134. De façon plus spécifique, le générateur de tourbillons 144 comporte des première et seconde parois latérales allongées opposées 147 et 148 qui sont reliées par des première et seconde parois d'extrémité curvilignes correspondantes 149 et 150. Avec cet agencement, un premier fluide, par exemple de l'air, entre dans le premier plénum de fluide 84 et est dirigé vers l'élément de tube de mélange 120. Une première partie du premier fluide entre dans la première entrée de fluide 132 en un écoulement axial, par exemple comme représenté en 152 sur la figure 6. Une seconde partie du premier fluide 154 entre dans l'élément de tube de mélange 120 à travers le générateur de tourbillons 144 en un écoulement globalement perpendiculaire, indiqué de façon générale en 154. L'écoulement perpendiculaire 154 agit sur l'écoulement axial 152 afin de créer des premier et second tourbillons 156 et 157 juste en aval de la première entrée de fluide 134. Les premier et second tourbillons remplissent sensiblement un volume d'élément de tube de mélange 120. De cette manière, lorsqu'un second fluide, par exemple un carburant, passe dans l'élément de tube de mélange 120, les premier et second tourbillons d'écoulement 156 et 157 créent un mélange transmis de l'extrémité d'évacuation 137 dans la chambre de combustion 30. Les premier et second tourbillons d'écoulement 156 et 157 améliorent le mélange des premier et second fluides permettant de faciliter une combustion plus complète. On comprendra à ce moment que les premier et second fluides, par exemple le carburant et l'air, sont mélangés de façon similaire dans chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange 100. Pour améliorer le mélange, les tourbillons générés dans les éléments de tube de mélange adjacents sont décalés l'un par rapport à l'autre, ce qui évite de créer des configurations d'écoulement pouvant priver un ou plusieurs des éléments de tube de mélange 100 de l'écoulement perpendiculaire. On comprendra également que le nombre de tourbillons générés dans l'élément de tube de mélange peut varier. On comprendra également que la forme, le nombre et l'emplacement du ou des générateurs de tourbillons peuvent varier selon les exemples de mode de réalisation. Sur la figure 7 par exemple, sur laquelle des numéros de référence analogues représentent des parties correspondantes sur les vues respectives, un générateur de tourbillons 170 est représenté, ayant un profil globalement angulaire. Le profil globalement angulaire se présente généralement sous la forme d'un profil triangulaire ou en « aile delta ». La figure 8 illustre un élément de tube de mélange 180 comportant une première extrémité 183 munie d'un générateur de tourbillons 184. Le générateur de tourbillons 184 se présente sous la forme d'une fente 186 ayant une extrémité supérieure (n'ayant pas de référence séparée) s'étendant depuis la première extrémité 183. Un couvre-orifice 189 est inséré dans la première extrémité 183 pour fermer l'extrémité ouverte du générateur de tourbillons 184 et constituer une restriction d'écoulement désirée pour l'élément de tube de mélange 180. Les figures 9 et 10 illustrent un élément de tube de mélange 191 comportant plusieurs générateurs de tourbillons 193 à 195 et la figure 11 illustre un élément de tube de mélange 198 comportant plusieurs générateurs de tourbillons 220 et 222 décalés ou en quinconce. On comprendra à ce moment que l'exemple de mode de réalisation décrit un système pour générer un écoulement de tourbillons double dans un élément de tube de mélange, destiné à améliorer le mélange des premier et second fluides. Le mélange amélioré conduit à un rapport air/carburant plus régulier qui conduit lui-même à une réduction des émissions de la turbomachine. On comprendra en outre que, comme indiqué ci-dessus, le type, le nombre et l'emplacement et l'agencement du ou des générateurs de tourbillons peuvent varier. On comprendra également que les éléments de tube de mélange, outre leur utilisation dans une turbomachine, peuvent être employés dans une large diversité d'applications où un mélange amélioré de fluide multiple est souhaité. Bien que l'invention ait été décrite en détail en relation avec seulement un nombre limité de modes de réalisation, on comprendra facilement que l'invention n'est pas limitée à de tels modes de réalisation décrits. L'invention peut plutôt être modifiée en incorporant un nombre quelconque de variantes, modifications, substitutions ou agencements équivalents qui n'ont pas été décrits jusqu'à présent, mais qui sont d'une commune mesure avec l'esprit et la portée de l'invention. De plus, bien que divers modes de réalisation de l'invention aient été décrits, on comprendra que les aspects de l'invention peuvent inclure seulement certains des modes de réalisation décrits. En conséquence, l'invention ne doit pas être considérée comme limitée par la description précédente mais elle n'est limitée que par la portée des revendications annexées.

2 Turbomachine 4 Section de compresseur 6 Section de turbine 8 Assemblage de chambre de combustion 10 Capot d'extrémité 20, 21, 22 Ensemble de buses d'injection 30 Chambre de combustion 33 Premier étage (6) 40 Diffuseur 43 Plénum d'évacuation de la section de compresseur 47 Carter de la chambre de combustion 50 Garniture de la chambre de combustion 54 Passage de refroidissement annulaire de la chambre de combustion 59 Pièce de transition 64 Paroi intérieure (59) 65 Paroi extérieure (59) 66 Ouverture (65) 68 Passage annulaire 72 Cavité de guidage 82 Boîtier extérieur 84 Premier plénum de fluide 86 Second tube de fourniture de fluide 88 Entrée (86) 90 Sortie 92 Second plénum de fluide 95 Second coeur de fluide 100 Pluralité d'éléments de tube de mélange agencés d'une manière annulaire 104 Résonateur 106 Entrée d'air de refroidissement 108 Plénum d'air de refroidissement 114 Face d'extrémité 120, 180, 191, Élément de tube de mélange 198 130 Conduite 132 Première entrée de fluide 134 Seconde entrée de fluide 137 Extrémité d'évacuation 140 Restriction d'écoulement 144, 170, 184, Générateur de tourbillons 193, 194, 195, 220, 222 146 Ouverture 147, 148 Paroi latérale allongée 149, 150 Paroi d'extrémité curviligne 152 Écoulement axial globalement laminaire 154 Écoulement perpendiculaire 156 Premier tourbillon d'écoulement 157 Second tourbillon d'écoulement 182 Première extrémité 186 Fente 189 Couvre-orifice

Claims

REVENDICATIONS1. Turbomachine (2) comprenant : une section de compresseur (4) ; une chambre de combustion (8, 30, 47, 50) reliée fonctionnellement à la section de compresseur (4) ; un capot d'extrémité (10) monté sur la chambre de combustion (8, 30, 47, 50) ; et un ensemble de buses d'injection (20, 21, 22) reliées fonctionnellement à la chambre de combustion (8, 30, 47, 50), l'ensemble de buses d'injection (20, 21, 22) comportant une pluralité d'éléments de tube de mélange (100), chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange (100) comportant une conduite (130) ayant une première entrée de fluide (132), une seconde entrée de fluide (134) agencée en aval de la première entrée de fluide (132), une extrémité d'évacuation (137) agencée en aval des première et seconde entrées de fluide (132, 134) et un générateur de tourbillons (144, 170, 184, 193, 194, 195, 220, 222) agencé entre les première et seconde entrées de fluide (132, 134), le générateur de tourbillons (144, 170, 184, 193, 194, 195, 220, 222) étant configuré et disposé de manière à créer des tourbillons multiples dans la conduite (130), destinés à mélanger des premier et second fluides (132, 134) traversant chaque élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange (100).
2. Turbomachine (2) selon la revendication 1, dans laquelle la première entrée de fluide (132) comporte une restriction d'écoulement (140).
3. Turbomachine (2) selon la revendication 1, dans laquelle le générateur de tourbillons (144, 170, 184, 193, 194, 195, 220, 222) comprend au moins une ouverture (146) formée dans la conduite (130).
4. Turbomachine (2) selon la revendication 3, dans laquelle l'au moins une ouverture (146) est une fente allongée (186).
5. Turbomachine (2) selon la revendication 4, dans laquelle la fente allongée (186) comporte des parties curvilignes (149, 150).
6. Turbomachine (2) selon la revendication 3, dans laquelle l'au moins une ouverture (146) comprend une ouverture angulaire (146).
7. Turbomachine (2) selon la revendication 6, dans laquelle l'ouverture angulaire (146) est une ouverture triangulaire (146).
8. Turbomachine (2) selon la revendication 3, dans laquelle l'au moins une ouverture (146) comprend plusieurs ouvertures (146).
9. Turbomachine (2) selon la revendication 3, dans laquelle l'au moins une ouverture (146) sur un élément de la pluralité d'éléments de tube de mélange (100) est décalée par rapport à l'au moins une ouverture (146) sur des éléments adjacents des autres éléments de la pluralité d'éléments de tube de mélange (100).