FR2966561A1

FR2966561A1 - Tuyere a combustible pour bruleur

Info

Publication number: FR2966561A1
Application number: FR1159468A
Authority: FR
Inventors: Abdul Rafey Khan; Willy Steve Ziminsky; Christian Xavier Stevenson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2012-04-27
Also published as: US8464537B2; JP2012088036A; DE102011054553A1; US20120096866A1; CN102454993A

Abstract

On décrit une tuyère (24) destinée à un brûleur (14). La tuyère (24) contient un corps central (76), un tube (74) de brûleur situé autour du corps central (76) et définissant un passage (72) de mélange de combustible et d'air entre eux, et une paroi périphérique externe (78) située autour d'un tube (74) de brûleur et définissant un passage (80) d'écoulement d'air entre eux. La tuyère (24) comprend en outre une extrémité (100) de tuyère reliée au corps central (76). L'extrémité de tuyère (100) comprend un passage (90) pour combustible pilote, configuré pour acheminer un flux de combustible pilote (92) vers une zone (114) de combustion, et un ensemble de passages (94) de transfert. L'ensemble de passages (94) de transfert est conçu pour acheminer un flux d'air (118) destiné à la combustion avec le flux de combustible pilote (92) jusqu'à la zone (114) de combustion, et conçu en outre pour acheminer un flux de combustible (96) de transfert jusqu'à la zone (114) de combustion.

Description

B11-4787FR 1 Tuyère à combustible pour brûleur La présente invention concerne des brûleurs en général, et plus particulièrement des tuyères à combustible présentes dans des brûleurs. On utilise largement des systèmes à turbine à gaz notamment dans le domaine de la production d'énergie. Un système classique à turbine à gaz comprend un compresseur, un brûleur et une turbine. Dans un système classique à turbine à gaz, l'air comprimé provient du compresseur et est acheminé jusqu'au brûleur. L'air pénétrant dans le brûleur est mélangé avec le combustible et brûle. Les gaz chauds de combustion s'écoulent à partir du brûleur vers la turbine pour entraîner la turbine à gaz et produire de l'énergie. Alors que les exigences relatives aux émissions des turbines à gaz sont devenues de plus en plus contraignantes, une démarche visant à répondre à ces exigences consiste à utiliser dans le brûleur des mélanges pauvres de combustible et d'air prémélangé, afin de réduire les émissions de NOX et de CO par exemple. Ces brûleurs sont connus dans la technique en tant que systèmes de combustion à NOX Secs et pauvres (« Dry Low »), à émissions sèches et pauvres (« Dry Low Emissions ») ou pauvres à prémélange (« Lean Pre-Mixed »). Ces brûleurs comprennent habituellement un ensemble de tuyères primaires et on les allume pour des opérations de charge faible et de charge moyenne du brûleur. Pendant les opérations avec prémélange (ou « prémix ») complet, les tuyères primaires fournissent du combustible pour alimenter une flamme secondaire. Les tuyères primaires entourent habituellement une tuyère secondaire qu'on utilise pour une charge moyenne jusqu'à des opérations en mode entièrement « prémix » du brûleur. Des tuyères secondaires assurent plusieurs fonctions dans le brûleur, en particulier l'introduction de combustible pour le mode entièrement « prémix », en introduisant du combustible et de l'air pour une flamme pilote assurant le fonctionnement de la tuyère primaire, et fournissant du combustible de transfert à utiliser pendant les changements entre modes d'opération. En mode pilote, le combustible destiné au fonctionnement du pilote est dirigé à travers un passage pour combustible pilote habituellement situé au centre de la tuyère de combustible, et de l'air à mélanger avec le combustible pilote est introduit par un ensemble de passages pour air pilote entourant le passage pour combustible pilote. Au cours de l'opération de transfert de la tuyère à combustible, on fait s'enflammer du combustible supplémentaire à travers la tuyère et dans la zone de combustion à travers un groupe de passages de transfert situé dans la tuyère, à l'écart du passage pour combustible pilote, sous forme de flux distinct de combustible. Quand la tuyère n'est pas en mode de transfert, la pratique actuelle consiste à purger les passages de transfert de combustible en faisant s'écouler de l'air de transfert à travers les passages de transfert. Au cours de cette opération, le pilote est entouré par ce flux d'air de purge à moindre température. Des passages séparés présents dans la tuyère secondaire pour le combustible pilote, pour le combustible de transfert et pour l'air, ainsi que l'air pilote, nécessitent un ensemble complexe de tuyères. De plus, le pilote de la tuyère typique est limité en combustible du fait de la configuration du combustible pilote et des passages destinés à l'air, si bien qu'on ne peut pas utiliser de combustibles à haute réactivité dans le pilote.

En outre, les tuyères secondaires typiques de l'état de la technique risquent des dommages dus à la retenue de flamme, quand une flamme est maintenue dans la tuyère ou à proximité de celle-ci. Comme les combustibles à haute réactivité augmentent le risque de retenue de flamme, l'emploi de combustible à haute réactivité est donc encore limité. Ainsi, une tuyère secondaire améliorée destinée à un système à turbines à gaz est souhaitable. Une tuyère secondaire présentant une configuration simple et pouvant assurer plusieurs fonctions serait avantageuse. De plus, une tuyère secondaire résistant à un dommage permanent dû à la retenue de flamme serait également avantageuse. Selon la présente invention, il est proposé une tuyère destinée à un brûleur présent dans un système à turbine à gaz. La tuyère comprend un corps central, un tube de brûleur situé autour du corps central et définissant entre eux un passage de mélange de combustible et d'air, et une paroi périphérique externe située autour du tube de brûleur et définissant entre eux un passage d'écoulement d'air. La tuyère comprend en outre une extrémité reliée au corps central. L'extrémité comprend un passage pour combustible pilote, configuré pour introduire un flux de combustible pilote dans une zone de combustion, et un ensemble de passages de transfert. L'ensemble de passages de transfert est conçu pour introduire dans la zone de combustion un flux d'air destiné à la combustion avec le flux de combustible pilote, et il est en outre configuré pour introduire un flux de combustible de transfert dans la zone de combustion. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques exemples nullement limitatifs, illustrée par les dessins sur annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un système à turbine à gaz conforme à la présente invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation d'un brûleur conforme à la présente invention ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une extrémité de tête de brûleur conforme à la présente invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une extrémité de tête de brûleur comprenant une tuyère secondaire à combustible conforme à la présente invention ; - la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation d'une extrémité d'une tuyère secondaire à combustible conforme à la présente invention ; - la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'une extrémité d'une tuyère secondaire à combustible conforme à la présente invention ; - les figures 7 à 10 sont des vues schématiques représentant le fonctionnement d'un brûleur conforme à divers modes de réalisation de la présente invention ; - et la figure 11 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation d'une extrémité de tête de brûleur comprenant une tuyère secondaire à combustible conformément à la présente invention.

Tel qu'il est illustré schématiquement sur la figure 1, un système 10 de turbine à gaz comprend une section 12 constituant un compresseur permettant de comprimer un gaz tel que de l'air. On comprendra que l'air peut être remplacé par tout gaz dont l'utilisation conviendrait dans un système de turbine à gaz. L'air sous pression évacué depuis la section 12 de compresseur s'écoule dans une section 14 de brûleur, généralement caractérisée par un ensemble de brûleurs disposés selon un arrangement annulaire autour d'un axe du système 10. L'air qui pénètre dans la section 14 de brûleur est mélangé avec le combustible et brûle. Les gaz chauds de combustion s'écoulent à partir de la section 14 de brûleur vers une section 16 de turbine pour entraîner le système 10 et produire de l'énergie. Tel qu'il est illustré sur la figure 2, le brûleur 14 conforme à un mode de réalisation comprend une extrémité 20 de tête de brûleur comportant un arrangement de tuyères primaires 22, dont une seule est représentée à la figure 2, et une tuyère secondaire 24. Un chemisage 26 de chambre de combustion comprend un venturi 28 prévu entre une chambre primaire 30 de combustion et une chambre secondaire 32 de combustion. Le chemisage 26 de la chambre de combustion est prévu dans une gaine 34 d'écoulement de brûleur. Un conduit 36 de transition est relié au chemisage 26 de la chambre de combustion, afin de diriger les gaz de combustion vers la turbine. Si l'on se réfère à la figure 3, on voit que l'extrémité 20 de tête de brûleur comprend un arrangement de tuyères primaires 22 et la tuyère secondaire 24. Comme le montre la figure 3, les tuyères primaires 22 sont conçues selon un arrangement circulaire autour de la tuyère secondaire 24. On appréciera cependant que d'autres arrangements des tuyères primaires puissent être envisagés.

Le conduit 26 de chambre de combustion comprend un ensemble de trous 38 de chemisage de chambre de combustion à travers lesquels de l'air comprimé s'écoule en formant un flux 40 d'air destiné à la chambre primaire 30 de combustion. L'air comprimé s'écoule à l'extérieur du chemisage 26 de la chambre de combustion en donnant un effet de refroidissement dans la chambre primaire 30 de combustion. La tuyère secondaire 24 comprend un ensemble de déflecteurs 42 configurés pour effectuer un mélange préalable du combustible et de l'air, comme on va l'indiquer plus en détail par la suite. La tuyère secondaire 24 se prolonge jusqu'à la chambre primaire 30 de combustion. La tuyère secondaire 24 peut ne se prolonger que jusqu'à la chambre primaire 30 de combustion, sans se prolonger dans le venturi 28 ni dans la chambre secondaire 32 de combustion. En variante, ou la tuyère secondaire 24 peut s'étendre dans le venturi 28 et éventuellement au-delà du venturi 28 jusqu'à la chambre secondaire 32 de combustion. Comme on l'indique ci-après, la référence 44 correspond à une vitesse de flamme si un retour de flamme a lieu pendant la combustion. Si l'on se réfère à la figure 4, on voit que l'extrémité 20 de la tête du brûleur comprend un couvercle d'extrémité 50 et une surface 52 de couvercle d'extrémité à laquelle les tuyères primaires 22 sont raccordées par des joints 54 d'étanchement. La tuyère secondaire 24 comprend un passage 56 pour combustible de mélange préalable, soutenu par le couvercle 50 d'extrémité. La tuyère secondaire 24 comprend en outre une entrée 58 d'écoulement d'air destinée à l'introduction d'air dans la tuyère secondaire 24. Comme on le voit, le combustible 60 peut s'écouler vers l'aval à travers le passage 56 pour combustible de mélange préalable. Dans ce contexte, le terme « vers l'aval » correspond à un sens d'écoulement des gaz de combustion à travers le brûleur vers la turbine, et le terme « vers l'amont » correspond à un sens d'éloignement ou opposé au sens d'écoulement des gaz de combustion à travers le brûleur. Le combustible 60 peut ensuite être évacué dans un passage de mélange air-combustible, comme on l'indique par la suite. Selon certains modes de réalisation représentés à la figure 4 par exemple, le combustible 60 peut s'écouler du passage 56 de combustible de mélange préalable vers une chambre 62 de refroidissement définie dans chaque déflecteur 42. Selon d'autres modes de réalisation représentés à la figure 11, le combustible 60 peut s'écouler à travers le passage 56 de combustible de mélange préalable au-delà des déflecteurs 42. Dans d'autres modes de réalisation que montre la figure 11, le combustible 60 peut s'écouler à travers le passage 56 de combustible de mélange préalable au-delà des déflecteurs 42. Le combustible 60 peut ensuite s'écouler depuis le passage 56 de combustible de mélange préalable vers un passage 63 à écoulement contraire. Le combustible 60 peut s'écouler vers l'amont à travers le passage 63 à écoulement contraire puis vers la chambre 62 de refroidissement définie dans chaque déflecteur 42. Dans ces modes de réalisation, le passage 56 de combustible de mélange préalable et le passage 63 d'écoulement contraire s'étendent à travers au moins une partie du corps central de la tuyère, qu'on décrit ensuite, et éventuellement, comme le montre la figure 11, l'extrémité de la tuyère, qu'on décrira par la suite. L'écoulement contraire du combustible 60 à travers le passage 63 d'écoulement contraire peut refroidir les surfaces périphériques du corps central de la tuyère et éventuellement l'extrémité de la tuyère.

Le combustible 60 peut alors s'écouler autour d'un partiteur 64 vers une chambre 66 de sortie définie dans chaque déflecteur 42. Le partiteur 64 peut par exemple correspondre à une pièce de métal qui limite le sens d'écoulement du combustible vers la chambre 66 de sortie, en amenant ainsi le combustible à refroidir en interne l'ensemble des surfaces des déflecteurs 42. La chambre 62 de refroidissement et la chambre 66 de sortie peuvent être décrites comme un passage non linéaire d'écoulement de réfrigérant, par exemple un passage d'écoulement de réfrigérant en zigzag, un passage pour réfrigérant en U, un passage d'écoulement pour réfrigérant en serpentin ou un passage d'écoulement sinueux pour réfrigérant. Une partie du combustible 60 peut aussi s'écouler directement depuis la chambre 62 de refroidissement vers la chambre 66 de sortie à travers un trou de contournement 68 formé dans le partiteur 64.

Le trou de contournement 68 peut par exemple permettre à environ 1 à 50 %, 5 à 40 % ou à 10 à 20 % du combustible total 60 de s'écouler à partir de la chambre 62 de refroidissement vers la chambre 66 de sortie, afin de s'écouler directement entre les chambres 62, 66. L'utilisation du trou de contournement 68 permet des ajustements pour n'importe quelle chute de pression du système d'alimentation en combustible susceptible de survenir, des ajustements pour les coefficients de transfert de chaleur ou des ajustements pour la distribution du combustible vers les orifices 70 d'injection de combustible. Le trou de contournement 68 peut améliorer la distribution de combustible dans les orifices 70 d'injection de combustible et à travers ceux-ci, afin d'obtenir une distribution plus uniforme. Le trou de contournement 68 peut aussi réduire la chute de pression entre la chambre 62 de refroidissement et la chambre 66 de sortie, ce qui aide à forcer le combustible 60 à travers les orifices 70 d'injection de combustible. De plus, l'emploi du trou de contournement 68 permet un écoulement ajusté à travers les orifices 70 d'injection de combustible, afin de modifier le taux de tourbillonnement conféré à l'écoulement de combustible avant son injection dans un passage 72 de mélange de combustible et d'air par le biais des orifices 70 d'injection.

Le combustible 60 peut être éjecté de la chambre 66 de sortie à travers les orifices 70 d'injection de combustible formés dans les déflecteurs 42. Le combustible 60 est injecté depuis les orifices 70 d'injection de combustible vers le passage 72 de mélange de combustible et d'air, afin de se mélanger avec l'écoulement d'air issu de l'entrée 58 d'écoulement d'air de la tuyère secondaire 24. Les déflecteurs 42 font tourbillonner l'écoulement d'air provenant de l'entrée 58 de l'écoulement d'air, afin d'améliorer le mélange de combustible et d'air dans le passage 72. Si l'on se réfère à la figure 4, on voit que la tuyère secondaire 24 comprend un tube 74 de brûleur qui entoure un corps central 76 de tuyère. Ce corps central 76 de tuyère se trouve en aval des déflecteurs 42. De plus, le corps 76 de centre de tuyère peut se trouver en aval du passage 56 de combustible de mélange préalable. En variante, le passage 56 de combustible de mélange préalable peut s'étendre à travers au moins une partie du corps central 76 de la tuyère. Le passage 72 de mélange de combustible et d'air est obtenu entre le corps central 76 de la tuyère et le tube 74 du brûleur. Une paroi périphérique externe 78 se trouve autour du tube 74 du brûleur et définit un passage 80 destiné à l'écoulement d'air. Le tube 74 de brûleur comprend un ensemble de rangées de trous 82 de refroidissement de l'air, qui permettent un refroidissement en laissant de l'air passer à travers le passage 80, ce qui donne un film sur le tube 74 du brûleur, qui le protège des gaz chauds de combustion. Les trous 82 peuvent être inclinés dans l'intervalle allant de 0 à 45° par rapport à la surface de la paroi aval. La taille des trous, le nombre de trous dans une rangée circulaire et/ou la distance entre les rangées de trous peuvent être déterminés de manière à obtenir la température voulue de paroi pendant les événements de maintien de flamme. Pendant une opération secondaire ou une opération avec mélange préalable complet du brûleur 14, le combustible est fourni par le passage 56 de combustible de mélange préalable susmentionné, en direction de la chambre 62 de refroidissement. Comme on l'a montré par ailleurs, la tuyère secondaire 24 de combustible comprend un ensemble de passages pour combustible qui s'étendent à travers le passage 56 de combustible de mélange préalable et qui servent à différents moments en fonction du mode de fonctionnement du brûleur 14. Un passage ou des passages 90 pour combustible pilote peuvent être définis dans la tuyère secondaire 24, par exemple au centre de la tuyère secondaire 24. Le passage 90 pour combustible pilote introduit du combustible 92 pour le fonctionnement de la tuyère secondaire par exemple. Le combustible pilote 92 peut par exemple correspondre à un combustible à haute réactivité. Un ensemble de passages 94 de transfert est également défini dans la tuyère secondaire 24. Les passages 94 de transfert peuvent par exemple s'étendre pratiquement axialement au sein de la tuyère secondaire 24 et peuvent se trouver radialement en dehors du passage 90 pour combustible pilote. L'ensemble de passages 94 de transfert fournit du combustible 96 de transfert utilisé pendant les transitions entre modes.

Le passage 90 pour combustible pilote et un certain nombre des passages 94 de transfert s'étendent dans une extrémité 100 de tuyère et à travers elle, connectée au corps central 76 de la tuyère et disposée à l'extrémité aval de la tuyère secondaire 24. Comme le montrent les figures 4 à 6, le passage 90 pour combustible pilote peut s'étendre à travers l'extrémité 100 de tuyère vers un diffuseur 102 situé au niveau d'une extrémité 104. L'ensemble de passages 94 de transfert peut s'étendre à travers l'extrémité 100 de la tuyère, et créer une sortie de la tuyère secondaire 24 au niveau d'un ensemble de trous 106 d'extrémité. Le passage 90 pour combustible pilote peut être relié à l'ensemble des passages 94 de transfert par le biais d'un ensemble de trous 108 de positionnement définis dans des parois latérales 110 de l'ensemble des passages 94 de transfert. Le passage 90 pour combustible pilote est relié à une source 112 pour combustible pilote.

Quand la tuyère secondaire 24 fonctionne en tant que pilote, par exemple en mode pilote, comme le montre la figure 5, un flux de combustible pilote 92 s'écoule à travers le passage 90 pour combustible pilote, et peut poursuivre à travers le diffuseur 102. Le flux de combustible pilote 92 peut en outre continuer à travers l'ensemble de trous 108 de positionnement, à travers un ensemble de passages 94 de transfert. Le combustible pilote 92 présent dans le diffuseur 102 et dans les passages 90, 94 peut refroidir l'extrémité 100. Le combustible pilote 92 peut ensuite quitter les passages 94 de transfert vers une zone 114 de combustion pour alimenter une veilleuse 116 d'allumage. De plus, pendant le fonctionnement en mode pilote de la tuyère secondaire 24, un flux d'air pilote 118 est poussé à travers l'ensemble de passages 94 de transfert. Le flux d'air pilote 118 quitte l'ensemble de passages 94 de transfert pour aller dans la zone 114 de combustion, et sert à brûler le flux de combustible pilote 92. Selon certains modes de réalisation, le flux d'air pilote 118 se mélange, au moins en partie, avec le flux de combustible pilote 92 avant de brûler dans la zone 114 de combustion. Selon certains modes de réalisation, ce mélange peut avoir lieu dans l'ensemble de passages 94 de transfert. Le mélange préalable du flux d'air pilote 118 et le flux de combustible pilote 92 stabilise la flamme pilote 116 et permet une température inférieure d'opération de la flamme pilote 116, ce qui réduit les émissions d'oxyde d'azote NOX lors du fonctionnement du brûleur 14.

La figure 6 illustre le fonctionnement de la tuyère secondaire 24 pendant une opération de transfert. Au cours d'une opération en mode de transfert, le combustible de transfert 96 s'écoule à travers l'ensemble de passages 94 de transfert puis vers la zone 114 de combustion à partir d'une source 120 de combustible de transfert. Selon certains modes de réalisation, quand le combustible 96 de transfert s'écoule à travers l'ensemble de passages 94 de transfert, le flux d'air pilote 118 est suspendu. Selon certains modes de réalisation, l'air pilote 118 peut s'écouler à travers les passages 94 de transfert après le combustible 96 de transfert, pour purger les passages 94 de transfert du combustible 96 de transfert. Les modes de réalisation décrits ici utilisent l'ensemble de passages 94 de transfert pour acheminer le flux d'air pilote 118 pendant le fonctionnement en mode pilote, afin de brûler l'écoulement de combustible pilote 92 et d'acheminer le combustible 96 de transfert pendant le fonctionnement en mode de transfert. L'emploi de l'ensemble de passages 94 de transfert pour les deux fonctions permet l'élimination des passages d'air pilote de la configuration secondaire de tuyère, ce qui permet de bénéficier d'une tuyère secondaire 24 moins complexe, avec moins de composants. L'élimination des passages pour l'air pilote permet une augmentation de la surface totale des passages 94 de transfert. Cette surface augmentée entraîne une plus grande flexibilité pour la tuyère secondaire 24, autorisant l'emploi de combustibles à haute réactivité dans le pilote. Du fait de l'accroissement de la surface, le débit du combustible 96 de transfert traversant la tuyère 24 peut être augmenté, si bien que des combustibles de moindre BTU (British Thermal Unit) nécessitant un débit volumétrique supérieur peuvent être utilisés tout en maintenant le caractère opérationnel de la tuyère secondaire 24. On va maintenant décrire le fonctionnement du brûleur 14 en se référant aux figures 7 à 10. Comme le montre la figure 7, lors de l'opération primaire, qui peut aller de l'allumage jusqu'à par exemple 20 % de la charge du moteur de turbine à gaz, l'ensemble du combustible fourni au brûleur est le combustible primaire 130, c.-à-d. que 100 % du combustible est introduit dans l'arrangement des tuyères primaires 22. La combustion a lieu dans la chambre primaire 30 de combustion par diffusion du combustible primaire 130 à partir des tuyères primaires de combustibles 22. La combustion a lieu dans la chambre primaire 30 de combustion à travers la diffusion du combustible primaire 130 à partir des tuyères primaires 22 de combustible, en s'étendant vers le flux 40 d'air (cf. figure 3) à travers le brûleur 14.

Comme le montre la figure 8, un fonctionnement pauvre-pauvre du brûleur 14 a lieu quand le moteur de turbine à gaz fonctionne par exemple à 20 à 50 % de la charge. On introduit du combustible primaire 130 dans l'arrangement de tuyères primaires 22, et un combustible secondaire 132 est introduit dans la tuyère secondaire 24. Environ 70 % du combustible introduit dans le brûleur est par exemple du combustible primaire 130, et environ 30 % du combustible est du combustible secondaire 132. La combustion a lieu dans la chambre primaire 30 de combustion et dans la chambre secondaire 32 de combustion.

Dans ce contexte, le terme combustible primaire correspond au combustible introduit dans les tuyères primaires 22, et le terme combustible secondaire correspond au combustible introduit dans la tuyère secondaire 24.

Lors d'une combustion de deuxième étape, représentée à la figure 9, qui est une transition à partir du fonctionnement de la figure 8 vers un fonctionnement en prémix décrit plus en détail ci-après en référence à la figure 10, l'ensemble du combustible introduit dans le brûleur est le combustible secondaire 132, c.-à-d. que 100 % du combustible est introduit dans la tuyère secondaire 24. Lors de la combustion de deuxième étape, la combustion a lieu par le biais d'un mélange préalable du combustible secondaire 132 et du flux 40 d'air à partir de l'entrée 58 de la tuyère secondaire 24. Le mélange préalable a lieu dans le passage 72 de mélange de combustible et d'air de la tuyère secondaire 24. Comme le montre la figure 10, le brûleur peut être activé lors d'une opération avec mélange préalable pendant laquelle le moteur de turbine à gaz fonctionne par exemple entre 50 et 100 % de la charge. Lors du fonctionnement en prémix de la figure 10, le combustible primaire 130 dirigé vers les tuyères primaires 22 augmente à partir de la quantité introduite dans l'opération pauvre-pauvre de la figure 9, et le combustible secondaire 132 dirigé vers la tuyère secondaire 24 diminue par rapport à la quantité provenant du fonctionnement pauvre-pauvre représenté à la figure 8. Lors du fonctionnement en mode prémix de la figure 10, par exemple entre 80 et 83 % du combustible introduit dans le brûleur peut être du combustible primaire 130, et de 20 à 17 % du combustible introduit dans le brûleur peut être du combustible secondaire 132. Comme le montre la figure 10, pendant l'opération avec mélange préalable, la combustion a lieu dans la chambre secondaire de combustion 32, et on empêche tout dommage à la tuyère secondaire 24 du fait des mesures de refroidissement, comme on l'a déjà indiqué. Si l'on se réfère à la figure 3, on voit qu'un retour de flamme peut avoir lieu si la vitesse de flamme 44 est supérieure à la vitesse d'écoulement de l'air 40 dans les chambres 30 de combustion primaire. La régulation du mélange air-combustible dans la tuyère secondaire 24, c.-à-d. la régulation du combustible secondaire 132, permet le contrôle de la vitesse de flamme et empêche à la flamme de traverser le venturi 28 vers la chambre primaire 30 de combustion. Bien que divers modes de réalisation décrits précédemment comprennent des tuyères de diffusion en tant que tuyères primaires, on appréciera que les tuyères primaires puissent être des tuyères de prémix, présentant par exemple une configuration identique ou similaire en tant que tuyères secondaires. Une tuyère ignifugée améliore la flexibilité du combustible du système de combustion, en permettant la combustion de combustibles à réactivité élevée. Une tuyère ignifugée en tant que tuyère secondaire dans le brûleur rend le brûleur à même de brûler l'ensemble des gaz de synthèse ainsi que du gaz naturel. Une tuyère ignifugée peut être employée en tant que tuyère secondaire dans le brûleur, et ainsi rendre le brûleur capable de brûler l'intégralité des gaz de synthèse ou ceux riches en hydrogène ainsi que du gaz naturel. Une tuyère ignifugée, associée à une tuyère primaire pour combustible double, rend le brûleur à même de brûler à la fois du gaz naturel et l'ensemble des combustibles de type gaz de synthèse. Cela augmente la flexibilité, le combustible du brûleur pouvant couvrir une gamme étendue de nombre de Wobbe et de réactivité, et pouvant être appliqué à tous les programmes industriels pétroliers et gaziers.

Les caractéristiques de refroidissement d'une tuyère ignifugée, y compris par exemple des déflecteurs de prémélangeur et un tube de brûleur refroidi à l'air, permettent à la tuyère de supporter des durées prolongées de maintien de flamme. Au cours d'un tel maintien de flamme, les caractéristiques de refroidissement protègent la tuyère de tout dommage matériel et laissent le temps pour des mesures de détection et de correction qui soufflent la flamme du prémélangeur en rétablissant la flamme prémélangée dans un mode normal.

Numéro de Composant référence 10 Système de turbine à gaz 12 Compresseur 14 Brûleur 16 Turbine 20 Extrémité de tête de brûleur 22 Tuyère primaire 24 Tuyère secondaire 26 Chemise de chambre de combustion 28 Venturi 30 Chambre de combustion primaire 32 Chambre de combustion secondaire 34 Manchon d'écoulement de brûleur 36 Conduit de transition 38 Trou de chemise de chambre de combustion 40 Flux d'air 42 Déflecteur 44 Vitesse de flamme 50 Couvercle d'extrémité 52 Surface de couvercle d'extrémité 54 Joint d'étanchéité 56 Passage pour combustible de mélange préalable 58 Entrée d'écoulement d'air 60 Combustible 62 Chambre de refroidissement 63 Passage d'écoulement contraire 64 Partiteur 66 Chambre de sortie 68 Trou de contournement 70 Orifice d'injection de combustible 72 Passage de mélange combustible-air 74 Tube de brûleur 76 Corps central de tuyère 78 Paroi périphérique externe 80 Passage d'écoulement d'air 82 Trous de refroidissement à l'air 90 Passage pour combustible pilote 92 Combustible pilote 94 Passage de transfert 96 Combustible de transfert 100 Extrémité de tuyère 102 Diffuseur 104 Extrémité 106 Trous d'extrémité 108 Trou de positionnement 110 Paroi latérale 112 Source de combustible pilote 114 Zone de combustion 116 Flamme pilote 118 Air pilote 120 Source de combustible de transfert 130 Combustible primaire 132 Combustible secondaire

Claims

REVENDICATIONS1. Tuyère (24) destinée à un brûleur (14), la tuyère (24) comprenant : un corps central (76) ; un tube (74) de brûleur situé autour du corps central (76) et définissant un passage de mélange combustible-air (72) entre eux ; une paroi périphérique externe (78) disposée autour du tube de brûleur (74) et définissant entre eux un passage pour l'écoulement d'air (80); et une extrémité (100) de tuyère reliée au corps central (76), l'extrémité de tuyère (100) comprenant : un passage (90) pour combustible pilote, conçu pour acheminer un flux de combustible (92) jusqu'à une zone (114) de combustion ; et un ensemble de passages de transfert (94), l'ensemble de passages de transfert étant conçu pour acheminer un flux d'air (118) pour la combustion avec le flux de combustible pilote (92) dans la zone (114) de combustion, et conçu en outre pour acheminer un flux de combustible (96) de transfert vers la zone (114) de combustion.
2. Tuyère (24) selon la revendication 1, dont l'extrémité (100) définit un ensemble de trous (108) de positionnement reliant le passage (90) pour combustible pilote à l'ensemble de passages (94) de transfert.
3. Tuyère (24) selon la revendication 1 ou 2, dont l'extrémité (100) définit un diffuseur (102) conçu pour que le flux de combustible pilote (92) s'écoule du passage (90) pour combustible pilote à travers le diffuseur (102) jusqu'à la zone (114) de combustion.
4. Tuyère (24) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le flux de combustible pilote (92) et le flux d'air (118) sont au moins en partie mélangés avant combustion.
5. Tuyère (24) selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre au moins un déflecteur (42) disposé dans le passage (72) de mélange de combustible et d'air.
6. Tuyère (24) selon la revendication 5, dans laquelle le ou les déflecteurs (42) définissent une chambre (62) de refroidissement conçue pour recevoir du combustible (60) à partir d'un passage (56) pour combustible de mélange préalable, et définissent en outre une chambre (66) de sortie conçue pour évacuer le combustible (60) à travers au moins un orifice d'injection de combustible (70) dans le passage (72) de mélange de combustible et d'air, et dans laquelle le ou les déflecteurs (42) comprennent en outre un partiteur (64) situé entre la chambre (62) de refroidissement et la chambre (66) de sortie.
7. Tuyère (24) selon la revendication 6, dans laquelle le combustible (60) s'écoule à partir du passage (56) pour combustible de mélange préalable à travers un passage (63) d'écoulement contraire vers la chambre (62) de refroidissement.
8. Tuyère (24) selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle le partiteur (64) définit un trou de contournement (68) conçu pour permettre au combustible (60) de s'écouler à partir de la chambre (62) de refroidissement vers la chambre (66) de sortie.
9. Brûleur (14) destiné à un système (10) de turbine à gaz, le brûleur (14) comprenant : une tuyère (24), la tuyère (24) comprenant : un corps central (76) ; un tube de brûleur (74) situé autour du corps central (76) et définissant entre eux un passage (72) de mélange de combustible et d'air; une paroi périphérique externe (78) située autour du tube (74) du brûleur et définissant entre eux un passage (80) d'écoulement d'air entre eux ; et une extrémité (100) de tuyère reliée au corps central (76), l'extrémité (100) de tuyère comprenant : un passage (90) pour combustible pilote, conçu pour acheminer un flux de combustible pilote (92) jusqu'à une zone (114) de combustion ; et un ensemble de passages (94) de transfert, cet ensemble de passages (94) de transfert étant conçu pour acheminer un flux d'air (118) pour la combustion avec le flux de combustible pilote (92) dans la zone (114) de combustion, et conçu en outre pour acheminer un flux de combustible (96) de transfert jusqu'à la zone (114) de combustion.
10. Brûleur (14) selon la revendication 9, dont l'extrémité (100) définit un ensemble de trous (108) de positionnement reliant le passage (90) pour combustible pilote à l'ensemble de passages (94) de transfert.
11. Brûleur (14) selon la revendication 9 ou 10, dont l'extrémité (100) définit un diffuseur (102) conçu pour que le combustible pilote (92) s'écoule depuis le passage pour combustible pilote (90) à travers le diffuseur (102) jusqu'à la zone (114) de combustion.
12. Brûleur (14) selon l'une des revendications 9 à 11, comprenant en outre au moins un déflecteur (42) disposé dans le passage (72) de mélange de combustible et d'air.
13. Brûleur (14) selon la revendication 12, dans lequel le ou les déflecteurs (42) définissent une chambre (62) de refroidissement conçue pour recevoir du combustible (60) à partir d'un passage (56) de combustible de mélange préalable, et définissent en outre une chambre (66) de sortie conçue pour évacuer le combustible (60) à travers au moins un orifice (70) d'injection jusqu'au passage (72) de mélange de combustible et d'air, et dans lequel le ou les déflecteurs comprennent en outre un partiteur (64) prévu entre la chambre (62) de refroidissement et la chambre (66) de sortie.
14. Brûleur (14) selon la revendication 13, dans lequel le combustible (60) s'écoule à partir du passage (56) pour combustible de mélange préalable à travers un passage (63) d'écoulement contraire jusqu'à la chambre (66) de refroidissement.
15. Brûleur (14) selon l'une des revendications 13 ou 14, dans lequel le partiteur (64) définit un trou (68) de contournement, conçu pour permettre au combustible (60) de s'écouler à partir de la chambre (62) de refroidissement jusqu'à la chambre (66) d'évacuation.