FR2966908A1

FR2966908A1 - Injecteur premelangeur

Info

Publication number: FR2966908A1
Application number: FR1159783A
Authority: FR
Inventors: Geoffrey David Myers
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-05-04
Also published as: JP5960968B2; JP2012098022A; DE102011054859A1; CN102563701B; CN102563701A; US20120102957A1; US9010119B2

Abstract

Injecteur prémélangeur (10) d'une chambre de combustion, comportant un module de prémélangeur de gaz (20), un corps central (30), lequel est chargeable par culotte dans le module de prémélangeur de gaz (20) et une interface déformable, accommodable (40) entre le module de prémélangeur de gaz (20) et le corps central (30).

Description

B 1 1-4974FR 1

Injecteur prémélangeur La présente invention concerne un injecteur prémélangeur d'une chambre de combustion utilisée dans une turbine à gaz industrielle à faible taux d'émissions. Dans les systèmes de combustion de moteurs à turbine à gaz à faible taux d'émissions, parfois appelés chambres de combustion à bas NOX par voie sèche (DLN), de l'air et un combustible en prémélange sont brûlés dans des chambres de combustion disposées en amont de turbines dans lesquelles une énergie mécanique est extraite des fluides à haute température produits par la combustion. De l'énergie électrique est ensuite générée à partie de l'énergie mécanique et transmise à des circuits électriques. Les chambres de combustion comportent ordinairement des injecteurs de combustible ayant des passages de prémélange dans lesquels l'air et le combustible sont mélangés l'un avec l'autre. Ce prémélange sert à abaisser les températures maximales des flammes dans la chambre de combustion et à réduire la formation d'oxydes d'azote (NO,,) dans le flux d'éjection.

Pour la souplesse du combustible et la disponibilité du système d'alimentation en énergie, les turbines à gaz à faible taux d'émissions comportent ordinairement des injecteurs de combustible destinés à injecter en outre du mazout comme combustible secondaire ou d'appoint dans les prémélangeurs de gaz. Ces injecteurs de mazout sont ordinairement insérés à travers le centre des prémélangeurs de gaz, de façon que la sortie d'injection de mazout communique avec la zone de réaction de la chambre de combustion. Comme le mazout n'est ni évaporé ni prémélangé avec l'air avant la combustion, mais est directement injecté dans la zone de réaction, de grandes quantités d'eau (de l'ordre de 1 million de litres/jour dans le cas d'une grande turbine produisant de l'électricité) doivent être injectées dans la zone de réaction pour réduire les températures de flammes et les émissions de NOX aux niveaux fixés par des régulateurs. Assurément, les procédés actuels nécessitent souvent que plus d'eau que de mazout soit directement injectée pour atteindre les niveau de NOX d'environ 42 ppm communément attendus en cas de marche au mazout. En outre, dans les ensembles actuels à chargement par culotte/cartouche de mazout/prémélangeurs de gaz, des tubes concentriques, tous supportés d'un seul tenant à une même extrémité et pouvant bouger librement les uns par rapport aux autres à l'extrémité distale sont emboîtés les uns dans les autres. Pendant le fonctionnement de la turbine, les extrémités distales des tubes ont tendance à vibrer en réponse au bruit à large spectre généré par le moteur à turbine à gaz et à se toucher. Par conséquent, les tubes et les pièces à l'extrémité des injecteurs sont sujets à une forte usure par contact et frottement entre pièces assemblées les unes avec les autres.

Selon un premier aspect de l'invention, un injecteur prémélangeur d'une chambre de combustion est proposé et comporte un module de prémélangeur de gaz, un corps central, qui est chargeable par culotte dans le module de prémélangeur de gaz et une interface déformable, accommodable entre le module de prémélangeur de gaz et le corps central. Selon un autre aspect de l'invention, un injecteur prémélangeur d'une chambre de combustion ayant un capot d'extrémité est proposé et comporte un module de prémélangeur de gaz monté sur le capot d'extrémité, un corps central, qui est chargeable à travers le capot d'extrémité et dans le module de prémélangeur de gaz, et une interface déformable, accommodable entre le module de prémélangeur de gaz et le corps central. Selon encore un autre aspect de l'invention, un injecteur prémélangeur d'une chambre de combustion ayant un capot d'extrémité est proposé et comporte un corps extérieur ayant une enveloppe extérieure annulaire formée de manière à définir une chambre de prémélange et une paroi intérieure annulaire formée de manière à définir un passage de prémélange entre une surface extérieure de celle-ci et l'enveloppe extérieure annulaire en amont de la chambre de prémélange, un corps central, qui est chargé dans une culotte définie par la paroi intérieure annulaire, afin d'envoyer un combustible dans le passage de prémélange et un élément d'étanchéité disposé de manière à être intercalé radialement entre un diamètre intérieur de la paroi intérieure annulaire et un diamètre extérieur du corps central pour supporter le corps central dans la culotte. 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 vue latérale en coupe d'un module de prémélangeur de gaz; - la figure 2 est une vue latérale en coupe d'un corps central ; - la figure 3 est une vue latérale en coupe du corps central de la figure 1, chargé par culotte dans le module de prémélangeur de gaz de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un élément d'étanchéité ; et - les figures 5 à 7 sont des vues en perspective d'éléments secondaires d'étanchéité.

Les pièces internes d'un injecteur prémélangeur d'une chambre de combustion sont supportés en porte-à-faux grâce à des assemblages soudés, brasés, vissés, des emboîtements coniques ou simplement des surfaces de contact aux dimensions plus grandes, et sont en outre supportées par des éléments d'étanchéité le long de celles-ci. Une différence de dilatation thermique entre un corps central et un prémélangeur de gaz est admise dans la mesure où les vibrations sont amorties et étouffées. Les éléments d'étanchéité ne constituent pas un trajet fortement thermoconducteur entre les modules et contribue ainsi à isoler les surfaces mouillées par un combustible liquide dans le corps central. En référence aux figures 1 à 3, un injecteur prémélangeur 10 d'une chambre de combustion ayant un capot d'extrémité est proposé et comporte un corps extérieur, tel qu'un module de prémélangeur de gaz 20, un corps central 30 et un élément d'étanchéité 40. Comme représenté sur la figure 1, le module de prémélangeur de gaz 20 a une enveloppe extérieure annulaire 21 et une paroi intérieure annulaire 22. L'enveloppe extérieure annulaire 21 s'étend depuis une extrémité amont 23 jusqu'à une extrémité aval 25, en passant par une partie intermédiaire 24. A l'extrémité aval 25, l'enveloppe extérieure annulaire 21 est formée de manière à définir une chambre de prémélange 26 à l'intérieur de celle-ci. A l'extrémité amont 23, l'enveloppe extérieure annulaire 21 et la paroi intérieure annulaire 22 coopèrent pour définir une entrée 27 d'air par laquelle de l'air refoulé par le compresseur pénètre dans le module de prémélangeur de gaz 20. Le long de la partie intermédiaire 24, l'enveloppe extérieure annulaire 21 et la paroi intérieure annulaire 22 coopèrent pour définir un passage de prémélange 28 dans lequel des fluides combustibles sont prémélangés avant d'entrer dans la chambre de prémélange 26. En amont de l'extrémité amont 23, d'autres pièces comprennent une bride de montage 50, un tube de support 51 de tige structurale et une vrille 60 d'air. La bride de montage 50 supporte le montage de l'injecteur prémélangeur 10 dans une chambre de combustion et le tube de support 51 de tige structurale s'étend de la bride de montage 50 à l'extrémité amont 23. Les tubes concentriques pour combustible et gaz sont définis dans la bride de montage 50 et le tube de support 51 de tige structurale. Le corps central 30 peut être chargé dans une culotte 55 définie par la bride de montage 50, le tube de support 51 de tige structurale et la paroi intérieure annulaire 22 et est conçu pour envoyer, au moins dans le passage de prémélange 28, un combustible tel que de l'huile blanche, un combustible liquide, de l'air de balayage et/ou un combustible gazeux. L'envoi peut se faire via des trous d'injection de combustible, tels que des pulvérisateurs de combustible liquide, formés dans le diamètre extérieur du corps central 30 et la paroi intérieure annulaire 22. Le corps central 30 a une forme globalement tubulaire et est creux de façon que du combustible puisse être envoyé à l'intérieur 31 de celui-ci. Comme représenté sur la figure 2, le corps central comprend une extrémité 32 côté bride de montage, une tête de diffusion 33 et une partie centrale 34. La partie centrale 34 est intercalée axialement entre la bride de montage 32 et la tête de diffusion 33. Le corps central 30 comprend en outre des entrées 35 de liquide et d'air de balayage/combustible gazeux à l'extrémité 32 côté bride de montage et est au moins partiellement supporté, potentiellement en porte-à-faux, à l'extrémité 32 côté bride de montage sur le capot d'extrémité. De plus, au moins l'intérieur 31 du corps central 30 communique avec une zone de combustion de la chambre de combustion via des ouvertures ménagées dans la tête de diffusion 33. Le corps central 30 étant au moins partiellement supporté, potentiellement en porte-à-faux, sur le capot d'extrémité, l'élément d'étanchéité 40 est disposé de manière à être intercalé radialement entre un diamètre intérieur de la paroi intérieure annulaire 22 et un diamètre extérieur du corps central 30. Dans cette position, l'élément d'étanchéité 30 assure un soutien supplémentaire pour le corps central 30 dans la culotte 55. La grande surface de contact et la déformabilité relative de l'élément d'étanchéité 40 sert aussi d'amortisseur pour réduire le mouvement relatif, l'usure par frottement et les contraintes vibratoires subis par l'ensemble composé du module pour gaz et du module pour liquide, ce qui permet d'améliorer la durabilité et de prolonger la durée de vie des pièces. Comme représenté sur la figure 3, l'élément d'étanchéité 40 est installé dans la paroi intérieure annulaire 22, par soudage, brasage, liaison métallurgique ou quelque autre type similaire de méthode de fixation. Le corps central 30 est chargé dans la culotte 55 par insertion de celui-ci à travers le capot d'extrémité, la culotte 55 et l'élément d'étanchéité 40, avec la tête de diffusion 33 comme extrémité avant. Après insertion complète, l'extrémité 32 côté bride de montage est montée sur le capot d'extrémité et la partie centrale 34 du corps central 30 est supportée par l'élément d'étanchéité 40 tout près de la partie intermédiaire 24 du module de prémélangeur de gaz 20. Considérant la figure 4, l'élément d'étanchéité 40 peut comprend une matière déformable et/ou accommodable définissant un joint labyrinthe et/ou un joint alvéolaire 41. De la sorte, un soutien du corps central 30 peut être assuré sans que le support ne soit rigide à un point tel que les vibrations normales générées par la turbomachine rigide en rotation, ou par les oscillations de pression dynamique induites par la combustion (ce qu'on appelle souvent bruit de combustion ou dynamique de combustion) risquent de créer des frottements, une usure des surfaces en contact ou une fissuration due à la fatigue. Ainsi, l'accommodabilité et la déformabilité de l'élément d'étanchéité 40 servent à amortir les vibrations relatives entre le corps central 30 et le module de prémélangeur de gaz 20 de façon que certaines vibrations soient permises mais que soit évité le contact entre le corps central 30 et le module de prémélangeur de gaz 20, qui pourrait éventuellement occasionner un endommagement de ces pièces. L'élément d'étanchéité 40 peut également être fait d'une matière à faible conductivité thermique, de telle sorte que le transfert thermique entre le module de prémélangeur de gaz 20 et le corps central 30 soit limité et de telle sorte que les surfaces mouillées par un combustible liquide dans le corps central 30 puissent être isolées de l'air de convection par des vrilles d'air dans le module de prémélangeur de gaz 20. Considérant les figures 1 et 3, l'enveloppe extérieure annulaire 21 peut en outre être formée de manière à définir un injecteur 65 d'air refoulé par le compresseur, à un emplacement axialement en amont du passage de prémélange 28. La vrille 60 d'air de l'enveloppe extérieure annulaire 21 peut être disposée en aval de l'injecteur 65 d'air refoulé par le compresseur et en amont ou à l'intérieur du passage de prémélange 28. L'enveloppe extérieure annulaire 21 peut en outre comprendre un élément secondaire d'étanchéité 66. L'élément secondaire d'étanchéité 66 est disposé de manière à être intercalé radialement entre la vrille 60 d'air et le corps central 30 afin d'assurer un soutien supplémentaire pour le corps central 30 dans la culotte. Comme représenté sur la figure 3, une partie intérieure radiale de la vrille 60 d'air peut être décalée radialement par rapport à un diamètre extérieur du corps central 30 et l'élément secondaire d'étanchéité 66 peut être décalé axialement par rapport à l'injecteur 65 d'air refoulé par le compresseur. Avec cet agencement, un trajet 67 de film de balayage peut être formé pour l'air refoulé par le compresseur (CPD) entrant dans le module de prémélangeur de gaz 20 en passant par l'injecteur 65 d'air refoulé par le compresseur. Au moins une partie de l'air refoulé par le compresseur, qui n'entre pas immédiatement dans le passage de prémélange 28 via la vrille 60 d'air, circule radialement vers l'intérieur le long de l'injecteur 65 d'air refoulé par le compresseur, frappe le corps central 30, puis circule axialement en suivant le diamètre extérieur du corps central 30 vers l'élément secondaire d'étanchéité 66 avant de pouvoir rejoindre le passage de prémélange 28. Un film de CPD assuré par le trajet 67 de film de balayage évite le retour de la flamme dans le prémélangeur provoqué par des sillages, d'épaisses couches limites et d'autres faibles flux secondaires, dans lesquels la vitesse locale du mélange est inférieure à la vitesse de flamme turbulente. Cela serait particulièrement difficile sans le film si on cherche à réaliser une évaporation et un prémélange de combustible diesel, qui s' auto-enflamme et quelques millièmes de secondes lorsqu'il atteint des températures supérieures à 205-260°C (400-500°F). Le film de CPD balaye l'huile liquide éventuelle qui pourrait trouver un cheminement jusqu'à ces surfaces, en prévenant de ce fait la formation de carbone solide, qui risquerait alors d'amener le flux d'air du prémélangeur à créer, à l'arrière du dépôt de carbone solide, une épaisse couche limite et un sillage qui amèneraient la flamme en prémélange à s'insinuer dans le volume annulaire de prémélange et à brûler des parties du système non conçues pour la flamme. De la sorte, pour la combustion de mazout en prémélange, on n'a plus besoin des millions de litres d'eau qui, sinon, seraient employés pour limiter les NO,,. On dispose en outre de la possibilité de balayer les couches limites à l'aide du film de CPD, ainsi que de monter des injecteurs de combustible liquide directement sur le corps central 30. Considérant les figures 5 à 7, l'élément secondaire d'étanchéité 66 peut consister en un ou plusieurs des éléments suivants : un joint en C 70, ayant un corps 71 de joint en C dans lequel la section transversale en C débouche vers l'aval (cf. figure 5), un joint axial en C 72, ayant un corps 73 de joint axial en C dans lequel la section transversale en C débouche radialement vers l'extérieur (cf. figure 6), et un joint en double C 74, ayant un corps 75 de joint en double C, les extrémités du joint s'incurvant jusqu'à venir l'une contre l'autre et étant orientées vers l'amont (cf. figure 7).

Liste des repères 10 Injecteur prémélangeur 20 Module de prémélangeur de gaz 21 Enveloppe extérieure annulaire 22 Paroi intérieure annulaire 23 Extrémité amont 24 Partie intermédiaire 25 Extrémité aval 26 Chambre de prémélange 27 Entrée d'air 28 Passage de prémélange 30 Corps central 32 Extrémité côté bride de montage 33 Tête de diffusion 34 Partie centrale 35 Entrées de combustible 40 Elément d'étanchéité 41 Joint alvéolaire 50 Bride de montage 51 Tube de support de tige structurale 55 Culotte 60 Vrille d'air 65 Injecteur d'air 66 Elément secondaire d'étanchéité 67 Trajet de film de balayage 70 Joint en C 71 Corps de joint en C 72 Joint axial en C 73 Corps de joint axial en C

Claims

REVENDICATIONS1. Injecteur prémélangeur (10) d'une chambre de combustion, comportant : un module de prémélangeur de gaz (20) ; un corps central (30) chargeable par culotte dans le module de prémélangeur de gaz (20) ; une interface déformable, accommodable (40) entre le module de prémélangeur de gaz (20) et le corps central (30).
2. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 1, comportant en outre une bride de montage (50), un tube de support (51) de tige structurale et une vrille (60) d'air.
3. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 1, dans lequel l'interface déformable, accommodable (40) est installée entre un diamètre intérieur du module de prémélangeur de gaz (20) et un diamètre extérieur du corps central (30).
4. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 1, dans lequel le corps central (30) comprend : une extrémité (32) côté bride de montage ; une tête de diffusion (33) ; et une partie centrale (34) intercalée axialement entre l'extrémité (32) côté bride de montage et la tête de diffusion (33) et alignée axialement avec l'interface déformable, accommodable (40).
5. Injecteur prémélangeur (10) de chambre de combustion ayant un capot d'extrémité, l'injecteur prémélangeur (10) comportant : un module de prémélangeur de gaz (20) monté sur le capot d'extrémité ; un corps central (30) chargeable par culotte à travers le capot d'extrémité et dans le module de prémélangeur de gaz (20) ; et une interface déformable, accommodable (40) entre le module de prémélangeur de gaz (20) et le corps central (30).
6. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 5, comportant en outre une bride de montage (50), un tube de support (51) de tige structurale et une vrille (60) d'air.
7. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 5, dans lequel le corps central (30) comprend : une extrémité (32) côté bride de montage ; une tête de diffusion (33) ; et une partie centrale (34) intercalée axialement entre l'extrémité (32) côté bride de montage et la tête de diffusion (33) et alignée axialement avec l'interface déformable, accommodable (40).
8. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 7, dans lequel le corps central (30) comprend des entrées (35) pour combustibles liquides et gazeux à l'extrémité (32) côté bride de montage.
9. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 7, dans lequel le corps central (30) est supporté, potentiellement en porte-à-faux, à l'extrémité (32) côté bride de montage sur le capot d'extrémité.
10. Injecteur prémélangeur (10) selon la revendication 7, dans lequel un intérieur du corps central (30) communique avec une zone de combustion de la chambre de combustion par l'intermédiaire de la tête de diffusion (33).