FR2965893A1 - Modele d'injecteur primaire resistant aux flammes - Google Patents

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Abstract

Injecteur de combustible comprenant une cavité d'injecteur avec une paroi latérale (152) définissant une cavité annulaire, et des ailettes de tourbillonnement (146) disposées dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité de l'injecteur. Une pluralité d'orifices (158) sont formés dans la paroi latérale et sont espacés dans la direction circonférentielle autour de la cavité de l'injecteur. Les orifices assurent une communication fluidique à travers la paroi latérale. La pluralité d'orifices sont placés et/ou orientés de façon que des jets de combustible transmis à travers la paroi latérale soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement.

Description

B11-4140FR 1
Modèle d'injecteur primaire résistant aux flammes L'invention est relative à un injecteur de combustible pour chambre de combustion et, plus particulièrement, à un injecteur de combustible pour chambre de combustion comprenant des moyens pour réduire le risque de rétention de flammes à l'intérieur d'ailettes d'un injecteur primaire de combustible lors du fonctionnement avec un combustible à forte réactivité et faible indice de Wobbe. Des turbines à gaz sont très couramment employées dans l'industrie pour produire de l'électricité. La figure 1 représente une turbine à gaz classique 10 connue dans la technique. Comme représenté sur la figure 1, la turbine à gaz 10 comprend globalement un compresseur 12 à l'avant, une ou plusieurs chambres de combustion 14 médianes, et une turbine 16 à l'arrière. Ordinairement, le compresseur 12 et la turbine 16 partagent un rotor commun. Le compresseur 12 comprime progressivement un fluide de travail et refoule le fluide de travail comprimé dans les chambres de combustion 14. Les chambres de combustion 14 injectent du combustible dans le flux de fluide de travail comprimé et enflamment le mélange pour produire des gaz de combustion à haute température, forte pression et grande vitesse. Les gaz de combustion sortent des chambres de combustion 14 et s'écoulent jusqu'à la turbine 16 dans laquelle ils se détendent pour produire un travail. La figure 2 présente une coupe simplifiée d'une chambre de combustion 20 selon la technique antérieure. Un carter 22 entoure la chambre de combustion 20 pour contenir le fluide de travail comprimé provenant du compresseur 12. Des injecteurs sont installés dans un capot d'extrémité, par exemple avec des injecteurs primaires 28 à disposition radiale autour d'un injecteur secondaire 30, comme représenté sur la figure 2. Une chemise 32 en aval des injecteurs 28, 30 définit une chambre amont 34 et une chambre aval 36 séparées par un col 38 de Venturi. Le fluide de travail comprimé issu du compresseur 12 circule entre le carter 22 et la chemise 32 jusqu'aux injecteurs primaires 28 et secondaire 30. Les injecteurs primaires 28 et secondaire 30 mélangent le combustible avec le fluide de travail comprimé, et le mélange circule depuis les injecteurs primaires 28 et secondaire 30 jusqu'à entrer dans les chambres amont 34 et aval 36 où a lieu la combustion. Pendant des fonctionnements à puissance de base à pleine vitesse, le débit du mélange de combustible et de fluide de travail comprimé passant par les injecteurs primaires 28 et secondaire 30 est suffisamment élevé pour qu'une combustion n'ait lieu que dans la chambre aval 36. Cependant, pendant les fonctionnements à puissance réduite, les injecteurs primaires 28 fonctionnent en un mode diffusion dans lequel le débit du mélange de combustible et de fluide de travail comprimé issu des injecteurs primaires 28 est réduit afin que la combustion du mélange de combustible et de fluide de travail comprimé issu des injecteurs primaires 28 ait lieu dans la chambre amont 34. Les combustibles à réactivité la plus faible, tels que le gaz naturel, ont ordinairement les vitesses de flammes les plus basses. En raison de la vitesse de flammes plus basse, du gaz naturel, le débit du mélange de combustible et de fluide de travail comprimé issu des injecteurs primaires 28 fonctionnant en mode diffusion est suffisamment élevé pour que la combustion dans la chambre 34 ait lieu à une distance suffisante des injecteurs primaires 28 pour empêcher que la combustion ne surchauffe et/ou ne fasse fondre les injecteurs primaires 28. Cependant, les combustibles à réactivité la plus forte, tels que le gaz de synthèse, l'hydrogène, le monoxyde de carbone, l'éthane, le butane, le propane ou des mélanges d'hydrocarbures à réactivité supérieure, ont ordinairement de plus grandes vitesses de flammes. La vitesse de flammes accrue des combustibles à réactivité la plus forte rapproche des injecteurs primaires 28 la combustion dans la chambre amont 34. La température locale des flammes lors d'un fonctionnement en mode diffusion dans la chambre amont 34 peut être beaucoup plus élevée que le point de fusion des matières des injecteurs primaires 28. De la sorte, les injecteurs primaires 28 fonctionnant en mode diffusion risquent de subir un échauffement excessif aboutissant à une panne prématurée et/ou catastrophique. Des orifices d'injection de combustible sont ordinairement situés entre des ailettes afin d'injecter dans l'air entrant le combustible présent entre les ailettes. L'espace entre les ailettes est limité et, en cas de combustibles à forte réactivité, pendant un fonctionnement en mode diffusion, il y a un plus grand risque que la rétention de flammes dans les jets de combustible ne provoque un endommagement des injecteurs, limitant de ce fait la souplesse du système de combustion quant aux combustibles. Dans un exemple de forme de réalisation, un injecteur de combustible comprend une cavité d'injecteur avec une paroi latérale et une paroi avant définissant une cavité annulaire, et des ailettes de tourbillonnement disposées dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité de l'injecteur. Une pluralité d'orifices sont formés dans l'une des paroi latérale et paroi avant et sont espacés dans la direction circonférentielle autour de celles-ci. La pluralité d'orifices assurent une communication fluidique à travers la paroi latérale ou la paroi avant. La pluralité d'orifices sont placés et/ou orientés de façon que les jets de combustible définis dans la paroi latérale ou la paroi avant et transmis à travers celle-ci soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement. Dans un autre exemple de forme de réalisation, un injecteur de combustible comprend une cavité d'injecteur avec une paroi latérale définissant une cavité annulaire, la paroi latérale étant conique de façon que la cavité d'injecteur ait une forme partiellement conique. Des ailettes de tourbillonnement sont disposées dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité de l'injecteur. Une pluralité d'orifices sont formés dans la paroi latérale et sont espacés autour de celle-ci dans la direction circonférentielle. La pluralité d'orifices assurent une communication fluidique à travers la paroi latérale. La pluralité d'orifices sont orientés suivant un angle supérieur à 90° dans une direction axiale par rapport à la paroi latérale. Dans encore un autre exemple de forme de réalisation, un procédé de réduction du risque de rétention de flammes à l'intérieur d'ailettes d'injecteurs primaires de combustible comprend les étapes de (a) formation d'une cavité d'injecteur dans une paroi latérale et définition d'une cavité annulaire ; (b) disposition d'ailettes de tourbillonnement dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité d'injecteur ; et (c) formation d'une pluralité d'orifices dans la paroi latérale, espacés dans la direction circonférentielle autour de celle-ci, la pluralité d'orifices assurant une communication fluidique à travers la paroi latérale, la pluralité d'orifices étant placés et/ou orientés de façon que les jets de combustible définis dans la paroi latérale et transmis à travers celle-ci soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe simplifiée d'une turbine à gaz ; - la figure 2 est une coupe simplifiée d'une chambre de combustion ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un injecteur de combustible selon la technique antérieure ; - la figure 4 est une vue en coupe représentant un injecteur de combustible à longueur prolongée axialement ; - la figure 5 est une vue en coupe représentant un injecteur de combustible avec des orifices d'injection de combustible à orientation oblique ; - la figure 6 est une vue en coupe représentant un injecteur de combustible à longueur prolongée axialement ainsi qu'avec des orifices d'injection de combustible à orientation oblique ; et - la figure 7 est une vue en coupe représentant un injecteur de combustible avec des orifices d'injection de combustible dans la face avant.
On va maintenant considérer en détail des formes actuelles de réalisation de l'invention, dont un ou plusieurs exemples sont illustrés sur les dessins annexés. La description détaillée utilise des repères alphanumériques pour désigner des détails des dessins. Des désignations identiques ou similaires sur les dessins et dans la description ont été utilisées pour mentionner des parties identiques ou similaires de l'invention. La figure 3 représente une coupe d'un injecteur 40 selon la technique antérieure. L'injecteur 40 comprend globalement un corps 42 d'injecteur définissant une cavité annulaire 44 à l'intérieur et des ailettes de tourbillonnement 46 disposées dans la direction circonférentielle autour de la surface extérieure, aval, du corps 42 d'injecteur. Du combustible envoyé dans le corps 42 d'injecteur traverse la cavité annulaire 44 et sort au voisinage des ailettes de tourbillonnement 46. Du fluide de travail comprimé issu du compresseur 12 se mélange au combustible issu de la cavité annulaire 44 et passe de l'injecteur 40 à la chambre de combustion amont 34. Le corps 42 d'injecteur comporte une paroi latérale 52 qui définit une forme de la cavité annulaire 44. Une pluralité d'orifices 58 sont formés dans la paroi latérale 52 et sont espacés, dans la direction circonférentielle, autour de la paroi latérale 52 afin de réaliser une communication fluidique à travers la paroi latérale 52. Dans la construction selon la technique antérieure, le combustible présent dans la cavité annulaire 44 est expulsé via les orifices 58 pour se mélanger à l'air présent dans les ailettes de tourbillonnement 46 (considérer les flèches A et B sur la figure 3). Comme représenté, les orifices d'injection de combustible sont orientés vers les pièces environnantes (ailettes, tube de brûleur, etc.), et une rétention de flammes, en particulier avec des combustibles à forte réactivité peut survenir, ce qui risque donc d'endommager les pièces. Considérant les figures 4 à 7, l'injecteur est modifié de façon que les orifices d'injection de combustible soient placés et/ou orientés afin que des jets de combustible transmis à travers la paroi latérale (ou la face avant - figure 7) de l'injecteur soient transmis en aval des ailettes de tourbillonnement. Sur la figure 4, l'injecteur 140 s'étend axialement ; ainsi, la paroi latérale 152 a une longueur axiale vers l'aval qui se prolonge axialement au-delà des ailettes de tourbillonnement 146. Comme représenté, les orifices 158 d'injection de combustible sont formés dans une partie de la paroi latérale 152 qui se trouve en aval des ailettes de tourbillonnement 146. Une autre construction possible est représentée sur la figure 5. Dans cette forme de réalisation, les orifices 258 d'injection de combustible sont orientés obliquement de façon que les jets de combustible soient transmis en aval des ailettes de tourbillonnement 246 (cf. flèche A sur la figure 5). La figure 6 représente encore une autre construction combinant la paroi latérale à prolongement axial avec les orifices d'injection de combustible à orientation afin que les orifices 358 soient placés en aval des ailettes de tourbillonnement 346 et que les orifices 358 soient orientés obliquement de façon que les jets de combustible soient transmis encore plus loin en aval des ailettes de tourbillonnement 346 (cf. flèche A sur la figure 6). Les constructions représentées sur les figures 5 et 6 servent également à protéger le tube 247, 347 de brûleur de l'injecteur en dirigeant plus loin vers l'aval le combustible. Les orifices 258, 358 peuvent en outre encore être orientés suivant un angle composite de façon que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement 246, 346 et radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur. L'angle composite favorise un meilleur mélange du combustible et de l'air avant la combustion. La paroi latérale 152, 252, 352 est de préférence conique afin que la cavité 144, 244, 344 de l'injecteur ait une forme partiellement conique. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 4, les orifices 158 d'injection de combustible sont orientés suivant un angle d'environ 90° dans une direction axiale par rapport à la paroi latérale 152. Dans les formes de réalisation représentées sur les figures 5 et 6, les orifices 258, 358 d'injection de combustible sont orientés suivant des angles supérieurs à 90° dans une direction axiale par rapport à la paroi latérale 252, 352. La figure 7 représente encore un autre injecteur possible 440 dans lequel les orifices 458 d'injection de combustible sont formés dans une face avant de la cavité 444 dans le corps 442 d'injecteur en aval de la paroi latérale 452. Le combustible peut être dirigé tout droit à travers la face avant (flèche A en trait plein) ou de manière oblique (flèche A en traits discontinus) vers l'aval des ailettes de tourbillonnement 446 (et du tube de brûleur de l'injecteur).
Avec la structure des formes de réalisation décrites, des jets de combustible sont transmis vers l'aval d'ailettes de tourbillonnement pour ainsi réduire le risque de rétention de flammes susceptible de conduire à un endommagement de pièces. Les jets de combustible réorientés réduisent également le blocage d'air provoqué du fait de la pénétration de jets de combustible, ce qui permet de disposer de plus d'air pour le prémélange. Ainsi, lorsque le combustible est injecté à l'extérieur des ailettes de tourbillonnement, en particulier pour des combustibles à faible indice de Wobbe, la structure crée moins de blocage pour l'air tourbillonnant entrant destiné au prémélange. Le flux d'air peut également être réduit pour des combustibles à très faible réactivité et très faible indice de Wobbe pour laisser plus de place pour les orifices d'injection de combustible.
Liste des repères Turbine à gaz 10 Compresseur 12 Chambres de combustion 14 Turbine 16 Chambre de combustion 20 Carter 22 Injecteurs primaires 28 Injecteur secondaire 30 Chemise 32 Chambre amont 34 Chambre aval 36 Col de Venturi 38 Injecteur 40, 140, 240, 340, 440 Corps de distributeur 42, 142, 242, 342, 442 Cavité annulaire 44, 144, 244, 344, 444 Ailettes de tourbillonnement 46, 146, 246, 346, 446 Tube de brûleur d'injecteur 247, 347 Paroi latérale 52, 152, 252, 352, 452 Orifices 58, 158, 258, 358, 458

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Injecteur de combustible, comprenant : une cavité (142, 242, 342, 442) d'injecteur comportant une paroi latérale (152, 252, 352, 452) et une paroi avant définissant une cavité annulaire (144, 244, 344, 444) ; des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446) disposées dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité de l'injecteur ; et une pluralité d'orifices (158, 258, 358, 458) formés dans l'une des paroi latérale et paroi avant et espacés dans la direction circonférentielle autour de celle-ci, la pluralité d'orifices assurant une communication fluidique à travers la paroi latérale ou la paroi avant, la pluralité d'orifices étant placés et/ou orientés de façon que des jets de combustible définis dans et transmis à travers la paroi latérale ou la paroi avant soient transmis suivant une direction pointant en aval des ailettes de tourbillonnement.
  2. 2. Injecteur de combustible selon la revendication 1, dans lequel la paroi latérale (152, 252, 352, 452) comporte une longueur axiale aval qui se prolonge axialement au-delà des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446), et dans lequel la pluralité d'orifices (158, 258, 358, 458) sont formés dans une partie de la paroi latérale ou de la paroi avant située en aval des ailettes de tourbillonnement.
  3. 3. Injecteur de combustible selon la revendication 2, dans Lequel la pluralité d'orifices sont orientés de manière oblique afin que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement.
  4. 4. Injecteur de combustible selon la revendication 3, dans lequel la pluralité d'orifices (158, 258, 358, 458) sont orientésIl suivant un angle composite de façon que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446) et radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur.
  5. 5. Injecteur de combustible selon la revendication 1, dans lequel la pluralité d'orifices (158, 258, 358, 458) sont orientés obliquement de façon que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446).
  6. 6. Injecteur de combustible selon la revendication 1, dans lequel la paroi latérale (152, 252, 352, 452) est conique de façon que la cavité de l'injecteur ait une forme partiellement conique, et dans lequel les orifices (158, 258, 358, 458) sont orientés suivant un angle d'au moins 90° dans une direction axiale par rapport à la paroi latérale.
  7. 7. Injecteur de combustible selon la revendication 1, dans lequel la paroi latérale (152, 252, 352, 452) est conique de façon que la cavité de l'injecteur ait une forme partiellement conique, et dans lequel les orifices (158, 258, 358, 458) inclinés par rapport à la normale extérieure à la paroi latérale, vers la direction axiale du côté aval.
  8. 8. Injecteur de combustible selon la revendication 1, dans lequel les jets de combustible transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446) définissent un espace pour de l'air de prémélange et/ou des combustibles à faible réactivité et faible indice de Wobbe.
  9. 9. Injecteur de combustible selon la revendication 1, comprenant une pluralité d'orifices (458) formés dans la paroi avant.
  10. 10. Injecteur de combustible selon la revendication 1 comprenant : une cavité (142, 242, 342, 442) comportant une paroi latérale (152, 252, 352, 452) et une paroi avant définissant une cavité annulaire (144, 244, 344, 444), la paroi latérale étant conique de façon que la cavité de l'injecteur ait une forme partiellement conique ; des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446) disposées dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité de l'injecteur ; et une pluralité d'orifices (158, 258, 358) formés dans la paroi latérale et espacés dans la direction circonférentielle autour de celle-ci, la pluralité d'orifices assurant une communication fluidique à travers la paroi latérale, la pluralité d'orifices étant inclinés par rapport à la normale extérieure à la paroi latérale, vers la direction axiale du côté aval .
  11. 11. Injecteur de combustible selon la revendication 10, dans lequel la paroi latérale (152, 252, 352, 452) comporte une longueur axiale aval qui se prolonge axialement au-delà des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446), et dans lequel la pluralité d'orifices (158, 258, 358) sont formés dans une partie de la paroi latérale située en aval des ailettes de tourbillonnement. 12_ Injecteur de combustible selon la revendication 10, dans lequel la pluralité d'orifices (158, 258, 358) sont orientés suivant un angle composite de façon que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes (146, 246, 346, 446) de tourbillonnement et radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur. 13. Procédé pour réduire le risque de rétention de flammes à l'intérieur d'ailettes d'un injecteur primaire de combustible, le procédé comprenant : (a) la formation d'une cavité d'injecteur comportant une paroi latérale (152, 252, 352, 452) et définissant une cavité annulaire ; (b) la disposition d'ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446) dans la direction circonférentielle autour d'une surface extérieure de la cavité d'injecteur ; et (c) la formation d'une pluralité d'orifices (158, 2.58, 358) dans la paroi latérale., espacés dans la direction eirconférentielle autour de celle-ci, la. pluralité d'orifices assurant une communication fluidique à travers 1a paroi latérale, la pluralité d'orifices étant placés et/ou orientés de façon que. des jets de combustible définis dans et transmis à travers la paroi latérale soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la paroi latérale (152, 252, 352, 452) comporte une longueur axiale aval qui se prolonge axialement au-delà des ailettes de tourbillonnement (146, 246., 346, 446), et dans lequel l'étape (c) est exécutée en formant la pluralité d'orifices (158, 258, 358) dans. une partie de la paroi latérale située en. aval des ailettes de tourbillonnement. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape (c) est exécutée en orientant la pluralité d'orifices (158, 258, 358) suivant un angle tel que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346, 446). 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel l'étape (c) est exécutée en orientant la pluralité d'orifices (158, 258, 358) suivant un angle composite afin que les jets de combustible soient transmis vers l'aval des ailettes de tourbillonnement (146, 246, 346., 446) et radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur.
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