FR2966517A1

FR2966517A1 - Systeme et procede pour refroidir une tuyere

Info

Publication number: FR2966517A1
Application number: FR1159625A
Authority: FR
Inventors: Malesh Bathina
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2012-04-27
Also published as: CN102454995A; JP2012092832A; US20120097756A1; DE102011054669A1

Abstract

Tuyère (12) comprenant un corps central (34). Une enveloppe (36) entoure au moins une partie du pourtour du corps central (34) afin de définir un passage annulaire (40) entre le corps central (34) et l'enveloppe (36). Un circuit de refroidissement (44) en boucle fermée s'étend à l'intérieur du corps central (34). Un procédé pour refroidir une tuyère (12) comprend la circulation d'un agent de refroidissement dans un circuit de refroidissement (44) en boucle fermée à l'intérieur de la tuyère (12).

Description

B11-4573FR 1

Système et procédé pour refroidir une tuyère La présente invention concerne un système et un procédé pour refroidir une tuyère, notamment en utilisant un agent de refroidissement pour refroidir des surfaces de la tuyère. Les turbines à gaz sont très couramment utilisées dans l'industrie et dans la production d'énergie. Une turbine à gaz classique comprend un compresseur axial en amont, une ou plusieurs chambres de combustion au voisinage de la partie centrale et une turbine en aval. De l'air ambiant entre dans le compresseur qui comporte des aubes rotatives et des aubes fixes de façon à communiquer une énergie cinétique à l'air pour produire un fluide de travail comprimé à haute énergie. Le fluide de travail comprimé sort du compresseur, traverse des tuyères et pénètre dans des chambres de combustion, où il se mélange à un combustible et s'enflamme pour produire des gaz de combustion à température et pression élevées. Les gaz de combustion se détendent dans la turbine pour produire un travail. La détente des gaz de combustion dans la turbine peut, par exemple, faire tourner un arbre couplé à un alternateur pour produire de l'électricité. On sait que le rendement thermodynamique d'une turbine à gaz augmente à mesure que s'élève la température de fonctionnement, en l'occurrence la température des gaz de fonctionnement. Cependant, si le combustible et l'air ne sont pas mélangés de façon homogène avant la combustion, des points chauds localisés risquent de se former dans le dispositif de combustion. Les points chauds localisés accroissent les risques que la flamme présente dans le dispositif de combustion ne retourne dans les tuyères et/ou reste à l'intérieur des tuyères, ce qui risque d'endommager les tuyères. Bien que le retour de flammes et la rétention de flammes puissent survenir avec n'importe quel combustible, ceux-ci surviennent plus facilement avec des combustibles très réactifs, comme l'hydrogène, qui ont une plus grande vitesse de combustion et de plus grandes capacités d'inflammation. I1 existe diverses techniques pour permettre des températures de fonctionnement plus élevées tout en limitant très fortement le retour de flammes et la rétention de flammes. Nombre de ces techniques visent à réduire les points chauds localisés et/ou à réduire les zones à faible débit pour empêcher ou réduire la survenance de retour de flammes ou de rétention de flammes. Par exemple, des perfectionnements dans la conception des tuyères ont abouti à un mélange plus uniforme du combustible et de l'air avant la combustion dans le but de réduire ou d'empêcher la formation de points chauds localisés dans le dispositif de combustion. Selon une autre possibilité, des tuyères ont été conçues pour assurer un débit minimal de combustible et/ou d'air dans la tuyère afin de refroidir les surfaces de la tuyère et/ou d'empêcher la flamme du dispositif de combustion de revenir dans la tuyère. Cependant, il est nécessaire de perfectionner encore la conception des tuyères afin de réduire et/ou d'empêcher la survenance de retenue ou de retour de flammes. Une première forme de réalisation de la présente invention consiste en une tuyère qui comprend un corps central, au moins en partie entourée d'une enveloppe, afin de définir un passage annulaire entre le corps central et l'enveloppe. Un circuit de refroidissement en boucle fermée s'étend à l'intérieur du corps central.

Dans une autre forme de réalisation de la présente invention, le circuit de refroidissement en boucle fermée s'étend à l'extérieur de la tuyère, le long de l'enveloppe. Selon un autre aspect, la présente invention concerne également un procédé pour refroidir une tuyère. Le procédé comprend la circulation d'un agent de refroidissement dans un circuit de refroidissement en boucle fermée à l'intérieur ou à l'extérieur de la tuyère. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue latérale simplifiée en coupe d'un dispositif de combustion selon une première forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est une vue en coupe axiale du dispositif de combustion représenté sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue latérale simplifiée en coupe d'une tuyère selon une première forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'une aube fixe selon une première forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est une vue en perspective d'une aube fixe selon une autre forme possible de réalisation de l'invention. La présente invention permet le refroidissement de surfaces d'une tuyère afin de réduire la survenance d'une rétention de flammes, et en cas de rétention de flammes, de réduire et/ou empêcher un éventuel endommagement des surfaces de la tuyère. Des formes de réalisation particulières peuvent comprendre un circuit de refroidissement en boucle fermée qui fait circuler un agent de refroidissement par et/ou au voisinage immédiat de pièces de la tuyère afin de refroidir la tuyère. La figure 1 représente une coupe simplifiée d'un dispositif de combustion 10 selon une première forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté, le dispositif de combustion 10 comprend globalement une ou plusieurs tuyères 12 disposées de manière radiale dans un capot supérieur 14. Un carter 16 peut entourer le dispositif de combustion 10 pour contenir l'air ou le fluide de travail comprimé sortant du compresseur (non représenté).

Un capot d'extrémité 18 et une chemise 20 peuvent définir une chambre de combustion 22 en aval des tuyères 12. Un manchon d'écoulement 24 pourvu de trous d'écoulement 26 peut entourer la chemise 20 pour définir un passage annulaire 28 entre le manchon d'écoulement 24 et la chemise 20.

La figure 2 représente une vue de dessus en plan du dispositif de combustion 10 représenté sur la figure 1. Le dispositif de combustion 10 peut comprendre plusieurs agencements de tuyères différents avec un nombre de tuyères différent. Par exemple, dans la forme de réalisation représentée sur la figure 2, le dispositif de combustion 10 comprend cinq tuyères 12 disposées radialement. Le fluide de travail circule dans le passage annulaire 28 entre le manchon d'écoulement 24 et la chemise 20 jusqu'à ce qu'il atteigne le capot d'extrémité 18 à partir duquel la direction d'écoulement s'inverse pour passer dans les tuyères 12 et entrer dans la chambre de combustion 22. Comme représenté sur les figures 1 et 2, un collecteur 30 peut être raccordé aux tuyères 12 pour fournir un agent de refroidissement 32 aux et/ou sur les tuyères 12. Le collecteur 30 peut comporter un agencement quelconque de tuyaux et de vannes pour réaliser une communication fluidique. L'agent de refroidissement 32 peut être constitué par tout fluide convenant pour évacuer de la chaleur. Par exemple, l'agent de refroidissement 32 peut être constitué par de la vapeur, un réfrigérant, un gaz inerte, un diluant ou un autre fluide approprié. L'agent de refroidissement 32 peut être fourni aux tuyères 12 d'une façon continue ou seulement lorsque cela est souhaitable pour assurer un refroidissement supplémentaire des tuyères 12. La figure 3 représente une coupe latérale simplifiée de la tuyère 12 selon une forme de réalisation de la présente invention.

Comme représenté sur la figure 3, la tuyère 12 comprend globalement un corps central 34 et une enveloppe 36. Le corps central 34 s'étend globalement suivant un axe géométrique central 38 de la tuyère 12. L'enveloppe entoure au moins une partie du pourtour du corps central 34 afin de définir un passage annulaire 40 entre le corps central 34 et l'enveloppe 36. La tuyère 12 peut comprendre en outre, dans le passage annulaire 40 entre le corps central 34 et l'enveloppe 36, une ou plusieurs aubes fixes 42 qui communiquent une vitesse tangentielle au combustible et/ou au fluide de travail passant sur les aubes 42. De la sorte, le fluide de travail peut circuler dans le passage annulaire 40 et se mélanger à du combustible injecté dans le passage annulaire 40 depuis le corps central 34 et/ou les aubes 42. Comme représenté sur la figure 3, la tuyère 12 peut comprendre en outre un circuit de refroidissement 44 en boucle fermée qui permet une circulation fluidique de l'agent de refroidissement 32 à travers la tuyère 12 et/ou autour de celle-ci. Au sens de la présente description, l'expression "en boucle fermée" signifie que l'agent de refroidissement 32 n'est pas délibérément extrait du circuit de refroidissement 44 pour passer par la tuyère 12 et/ou entrer dans la chambre de combustion 22. Comme représenté sur la figure 3, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut s'étendre jusque dans, autour et/ou à travers le corps central 34, les aubes 42 et/ou l'enveloppe 36. Par exemple, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut s'étendre à l'intérieur du corps central pour évacuer de la chaleur du corps central 34 et ainsi refroidir la surface extérieure du corps central 34. De même, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut s'étendre à l'extérieur de la tuyère 12, le long de l'enveloppe 26, pour refroidir la surface intérieure de l'enveloppe 36. Comme représenté plus en détail sur les figures 4 et 5, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut en outre s'étendre à l'intérieur des aubes 42 afin d'assurer une circulation fluidique de l'agent de refroidissement 32 via les aubes 42. Par exemple, comme représenté sur la figure 4, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut comporter un trajet d'écoulement sinueux passant par les aubes 42 afin de refroidir la surface extérieure des aubes 42. Selon une autre possibilité, illustrée sur la figure 5, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut comporter une entrée 50 et une sortie 52 dans les aubes 42 afin d'assurer une circulation fluidique de l'agent de refroidissement 32 à travers les aubes 42. De la sorte, l'agent de refroidissement 32 circule dans le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée pour évacuer de la chaleur du corps central 34, des aubes 42 et/ou de l'enveloppe 36 afin de refroidir les surfaces respectives de la tuyère 12.

On comprendra aisément que le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut comporter de multiples branchements d'alimentation 46 et de retour 48 en divers endroits afin d'assurer une communication fluidique pour que l'agent de refroidissement parte du collecteur 30, passe dans le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée et revienne au collecteur 30. Par exemple, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut comporter des branchements d'alimentation et de retour 46, 48 à travers l'enveloppe 36. De la sorte, l'agent de refroidissement 32 peut partir du collecteur 30, traverser l'enveloppe 36 et passer par les aubes 42 et/ou le corps central 34 avant de revenir au collecteur 30 en traversant l'enveloppe 36. Selon une autre possibilité, ou en addition, le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée peut comporter un branchement d'alimentation 46 à travers l'enveloppe 36 et un branchement de retour 48 à travers le corps central 34. De la sorte, l'agent de refroidissement 32 peut partir du collecteur 30, traverser l'enveloppe 36 et passer par les aubes 42 et/ou le corps central 34 avant de revenir au collecteur 30 en traversant le corps central 34. Ces trajets d'écoulement, et d'autres, pour le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée entrent dans le cadre de la présente invention. On comprendra aisément que les formes de réalisation précédemment décrites et illustrées en référence aux figures 3, 4 et 5 décrivent également un procédé pour refroidir une tuyère. Par exemple, le procédé peut comprendre la circulation de l'agent de refroidissement 32 dans le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée à l'intérieur de la tuyère. Dans des formes de réalisation particulières, le procédé peut en outre comprendre la circulation de l'agent de refroidissement 32 dans le circuit de refroidissement 44 en boucle fermée à l'intérieur du corps central 34, à l'intérieur des aubes 42 et/ou à l'extérieur de l'enveloppe 36 afin d'évacuer de la chaleur de la tuyère 12.

Liste des repères Repère Elément 10 Dispositif de combustion 12 Tuyères 14 Capot supérieur 16 Coque 18 Capot d'extrémité 20 Chemise 22 Chambre de combustion 24 Manchon d'écoulement 26 Trous d'écoulement 28 Passage annulaire 30 Collecteur 32 Source d'agent de refroidissement 34 Corps central 36 Enveloppe 38 Axe géométrique central 40 Passage annulaire 42 Aubes fixes 44 Circuit de refroidissement en boucle fermée 46 Alimentation 48 Retour 50 Entrée d'aube 52 Sortie d'aube

Claims

REVENDICATIONS1. Tuyère (12) comprenant : un corps central (34) ; une enveloppe (36) entourant au moins une partie du pourtour du corps central (34) afin de définir un passage annulaire (40) entre le corps central (34) et l'enveloppe (36) ; et un circuit de refroidissement (44) en boucle fermée s'étendant à l'intérieur du corps central (34).
2. Tuyère (12) selon la revendication 1, comprenant en outre un agent de refroidissement (32) circulant dans le circuit de refroidissement (44) en boucle fermée.
3. Tuyère (12) selon la revendication 2, dans laquelle l'agent de refroidissement (32) est constitué par de la vapeur et/ou un gaz inerte et/ou un réfrigérant et/ou un diluant.
4. Tuyère (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins une aube fixe (42) entre le corps central (34) et l'enveloppe (36).
5. Tuyère (12) selon la revendication 4, dans laquelle circuit de refroidissement (44) en boucle fermée s'étend à l'intérieur de l'une ou plusieurs des aubes (42).
6. Tuyère (12) selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans laquelle le circuit de refroidissement (44) en boucle fermée assure une communication fluidique pour -un agent de refroidissement (32) via une ou plusieurs aubes (42).
7. Tuyère (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit de refroidissement (44) en boucle fermée s'étend à l'extérieur de la tuyère, le long de l'enveloppe (36).
8. Tuyère (1. 2) selon l'une. quelconque des revendications précédentes, dans laquelle. le circuit de refroidissement (44) en boucle fermée comporte une alimentation (46) et un retour (48).
9. Procédé pour refroidir une tuyère (12), comprenant la circulation. d'un agent de refroidissement (32) dans un circuit de refroidissement (44) en boucle fermée s'étendant à l'intérieur d'un corps centrai d'une tuyère (1.2), le corps central (34) étant entouré. au moins pour partie par une enveloppe (36) de manière à définir un passage annulaire. (4.0) entre le corps central 1.0 (34) et l'enveloppe (36).
10. . Procédé selon la. revendication. 9, comprenant en outre. la circulation dei l'agent de refroidissement (32) dans le circuit de ...refroidissement (4.4) :en boucle fermée :à l'intérieur d'un corps. central (34) dans la tuyère (12):. 15 Ll . Procédé. selon l'une quelconque des revendications 9 et 10., comprenant en. outre la circulation de ragent de refroidissement (32) clans lei circuit de refroidissement (44) en boude fermée à l'extérieur d'une enveloppe (3"6) entourant la tuyère (1.2). 12. Procédé selon la revendication 1..1, comprenant en. outre 20 la circulation de l'agent de refroidissement (32) dans le circuit de refroidissement (44) en boucle fermée à l'intérieur d'une aube (.42) :s'étendant entre une' enveloppe (3.6) et corps. central (.34).