B11-5487FR 1 Buse de diffusion à étagement d'air
L'invention concerne généralement des turbines à gaz et plus précisément des buses de diffusion à étagement d'air pour des chambres de combustion de turbine à gaz. Dans une buse de diffusion pour une chambre de combustion de turbine à gaz, le combustible commence à se mélanger avec de l'air dans des ailettes de tourbillonnement et s'écoule ensuite et se détend dans un mouvement tourbillonnaire dans l'espace tubulaire de brûleur de la chambre de combustion pour mélange. Dans les buses de diffusion courantes, une région à faible vitesse a été observée dans le tube de brûleur au centre de la buse de diffusion. Une forte formation de carbone sur la pointe de buse de diffusion a été identifiée pendant le démarrage ainsi que pendant un fonctionnement à charge partielle. Pour un combustible hautement réactif, une température très élevée est observée sur la pointe de buse du fait de la proximité de la flamme. En outre, un mélange amélioré du combustible gazeux et de l'air dans le tube de brûleur peut provoquer des émissions réduites de la turbine à gaz. Par conséquent, il y a un besoin pour une buse de diffusion avec un combustible gazeux qui permette de refroidir la pointe de buse tout en améliorant le mélange du combustible et de l'air. La présente invention concerne une buse à étagement d'air disposée dans une chambre de combustion d'une turbine à gaz, incluant une source de combustible gazeux et une source d'air comprimé, la buse de combustible gazeux déchargeant vers un espace de tube de brûleur de la chambre de combustion. La buse de diffusion à étagement d'air inclut un corps de buse disposé le long d'un axe longitudinal incluant une cavité de combustible gazeux, bordé en aval par une paroi de fermeture d'extrémité, bordée en amont par une liaison vers une source de combustible gazeux, et bordée périphériquement par une paroi annulaire. Un dispositif extérieur à tourbillon avec des ailettes de tourbillonnement, s'étend depuis une extrémité de pointe de la paroi annulaire formant un passage axial de tourbillonnement vers un espace de tube de brûleur en aval. Un espace extérieur à la paroi annulaire de la cavité de combustible gazeux inclut une source d'air comprimé en communication fluidique avec le passage axial de tourbillonnement du dispositif extérieur à tourbillon. Des passages sont prévus pour le combustible gazeux à travers la première paroi annulaire depuis la cavité de combustible gazeux dans le passage annulaire axial de tourbillonnement du dispositif extérieur à tourbillon. Le dispositif extérieur à tourbillon délivre un mélange tourbillonnaire d'un combustible gazeux et d'air comprimé vers l'espace de tube de brûleur situé en aval de la chambre de combustion. Une chambre d'air de refroidissement est définie dans la cavité de combustible gazeux et est entourée par une paroi périphérique extérieure. Une partie de la paroi périphérique extérieure, disposée à proximité de l'extrémité aval de la cavité de combustible gazeux, s'étend axialement à travers la paroi de fermeture d'extrémité vers l'espace de tube de brûleur de la chambre de combustion. Des passages à travers la paroi annulaire de la cavité de combustible gazeux depuis l'espace d'air comprimé extérieur sont en communication fluidique avec la chambre d'air de refroidissement. Des passages font communiquer fluidiquement l'air comprimé à travers l'extrémité aval de la paroi périphérique de la chambre d'air de refroidissement vers l'espace de tube de brûleur de la chambre de combustion, fournissant de l'air de refroidissement pour la pointe, permettant d'améliorer le mélange du combustible gazeux et de l'air dans l'espace de tube de brûleur. Selon un autre aspect, la présente invention propose une chambre de combustion de turbine à gaz incluant un compresseur, une turbine, des chambres de combustion, et des buses de diffusion à étagement d'air avec une source de combustible gazeux et une source d'air comprimé, dans laquelle la buse de diffusion à étagement d'air décharge vers un espace de tube de brûleur de la chambre de combustion. La buse de diffusion à étagement d'air inclut un corps de buse disposé le long d'un axe longitudinal incluant une cavité de combustible gazeux, bordée en aval par une paroi de fermeture d'extrémité, bordée en amont par une liaison à une source de combustible gazeux, et bordée périphériquement par une paroi annulaire. Un dispositif extérieur à tourbillon avec des ailettes de tourbillonnement s'étend depuis une extrémité de pointe de la paroi annulaire formant un passage axial de tourbillonnement vers un espace de tube de brûleur. Un espace extérieur à la paroi annulaire de la cavité de combustible gazeux inclut une source d'air comprimé en communication fluidique avec le passage axial de tourbillonnement du dispositif extérieur à tourbillon et une pluralité de passages à travers la première paroi annulaire depuis la cavité de combustible gazeux dans le passage annulaire axial de tourbillonnement du dispositif extérieur à tourbillon. Le dispositif extérieur à tourbillon délivre un mélange tourbillonnaire d'un combustible gazeux et de l'air comprimé vers l'espace de tube de brûleur aval de la chambre de combustion. Une chambre d'air de refroidissement définie dans la cavité de combustible gazeux inclut une paroi périphérique extérieure. La paroi périphérique extérieure est disposée à proximité de l'extrémité aval de la cavité de combustible gazeux s'étendant axialement à travers la paroi de fermeture d'extrémité vers l'espace de tube de brûleur de la chambre de combustion. De multiples passages à travers la paroi annulaire depuis l'espace d'air comprimé extérieur sont couplés fluidiquement avec la chambre d'air de refroidissement. De multiples passages autorisent un passage de l'air comprimé à travers l'extrémité aval de la paroi périphérique de la chambre d'air de refroidissement vers l'espace de tube de brûleur de la chambre de combustion. Un autre aspect de la présente invention propose un procédé de refroidissement d'une extrémité de pointe d'une buse de diffusion de combustible gazeux à étagement d'air disposée dans une chambre de combustion d'une turbine à gaz avec un compresseur et une turbine, où la buse est en amont d'un tube de brûleur de la chambre de combustion. Le procédé inclut de fournir une buse de diffusion de combustible gazeux à étagement d'air incluant un corps de buse avec une cavité de combustible gazeux bordée par une paroi périphérique extérieure disposée le long d'un axe longitudinal de la buse ; une paroi de fermeture d'extrémité ; une chambre d'air de refroidissement disposée dans la cavité de combustible gazeux ; un dispositif extérieur à tourbillon alimenté par du combustible gazeux depuis la cavité de combustible gazeux et de l'air comprimé venant d'un espace extérieur entourant le corps de buse ; et une saillie vers l'avant de la chambre d'air de refroidissement, s'étendant à travers la paroi périphérique et faisant saillie à travers une paroi de fermeture d'extrémité du corps de buse. Le procédé inclut en outre d'alimenter du combustible gazeux vers la cavité de combustible gazeux depuis une source de combustible gazeux amont. Du combustible gazeux est dévié pour s'écouler à travers des trous d'injection de combustible gazeux définis autour d'une périphérie de la paroi de fermeture d'extrémité dans des passages de tourbillonnement du dispositif extérieur à tourbillon. Le combustible gazeux est mélangé avec de l'air comprimé venant de l'espace extérieur dans le dispositif extérieur à tourbillon et déchargé en flux rotationnel dans un espace de tube de brûleur en aval de la paroi de fermeture d'extrémité du corps de buse. Le procédé inclut en outre de dévier l'air comprimé depuis l'espace extérieur entourant le corps de buse à travers la chambre d'air de refroidissement vers l'espace de tube de brûleur en aval de la paroi de fermeture d'extrémité du corps de buse, favorisant ainsi le refroidissement de la pointe de buse et le mélange du combustible gazeux et de l'air dans l'espace de tube de brûleur. Encore un autre aspect de la présente invention propose un procédé d'utilisation d'une buse de diffusion de combustible gazeux à étagement d'air disposée dans une chambre de combustion d'une turbine à gaz avec un compresseur et une turbine, où la buse est en amont d'un tube de brûleur de la chambre de combustion. Le procédé inclut de fournir une buse de diffusion de combustible gazeux à étagement d'air comprenant un corps de buse incluant une cavité de combustible gazeux bordée par une paroi périphérique extérieure disposée le long d'un axe longitudinal de la buse ; une paroi de fermeture d'extrémité ; une chambre d'air de refroidissement disposée dans la cavité de combustible gazeux ; un dispositif extérieur à tourbillon alimenté par le combustible gazeux depuis la cavité de combustible gazeux et de l'air comprimé venant d'un espace extérieur entourant le corps de buse ; et un dispositif intérieur à tourbillon à une extrémité aval de la buse. Le procédé inclut d'alimenter un combustible gazeux vers la cavité de combustible gazeux depuis une source de combustible gazeux amont. Le combustible gazeux est dévié pour s'écouler à travers des trous d'injection de gaz définis autour d'une périphérie de la paroi de fermeture d'extrémité dans des passages de tourbillonnement du dispositif extérieur à tourbillon. Le combustible gazeux est mélangé avec de l'air comprimé depuis l'espace extérieur entrant dans le dispositif extérieur à tourbillon et déchargé depuis le dispositif extérieur à tourbillon en un flux rotationnel dans un espace de tube de brûleur en aval du corps de buse. Le procédé inclut aussi de dévier de l'air comprimé depuis l'espace extérieur entourant le corps de buse dans la chambre d'air de refroidissement. Le procédé inclut en outre de faire tourbillonner l'air comprimé dans la chambre d'air de refroidissement à travers un dispositif intérieur à tourbillon au centre de l'extrémité de pointe de la buse dans l'espace de tube de brûleur en aval de la buse, refroidissant ainsi l'extrémité de la buse et améliorant le mélange du combustible gazeux et de l'air dans l'espace de tube de brûleur.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante de quelques modes de réalisation en se référant aux dessins annexés sur lesquels des numéros de référence identiques se réfèrent à des éléments identiques et dans lesquels : - la figure 1 illustre une vue en coupe isométrique d'un mode de réalisation d'une buse de diffusion à étagement d'air de l'invention ; - la figure 2 illustre une vue de côté en coupe illustrant l'écoulement d'air de refroidissement à travers un dispositif à tourbillon de pointe d'un mode de réalisation d'une buse de diffusion à étagement d'air de l'invention ; - la figure 3 illustre une vue extérieure de la pointe d'extrémité d'un mode de réalisation de la buse de diffusion à étagement d'air ; - la figure 4 illustre une vue isométrique d'un mode de réalisation de la chambre d'air de refroidissement de la buse de diffusion à étagement d'air ; - la figure 5 montre en vue agrandie le flux d'air de refroidissement à travers des trous de refroidissement dans un mode de réalisation à l'extrémité de pointe de la buse de diffusion à étagement d'air de l'invention ; - la figure 6 montre en vue agrandie une variante de chemin d'écoulement d'air de refroidissement à travers des trous de refroidissement à l'extrémité de pointe de la buse de diffusion à étagement d'air de l'invention fournissant une composante radiale à l'écoulement de décharge ; - la figure 7 illustre un mode de réalisation de la buse de diffusion à étagement d'air de l'invention avec un tube de brûleur ; - la figure 8 illustre une chambre de combustion pour une turbine à gaz incluant des modes de réalisation des buses de combustible de diffusion à étagement d'air de l'invention organisées autour d'une buse de combustible secondaire centrale ; - la figure 9 illustre l'agencement circulaire des buses de diffusion à étagement d'air avec un dispositif extérieur à tourbillon et un dispositif intérieur à tourbillon sur un assemblage de couvercle d'extrémité alimenté depuis la tubulure de combustible gazeux ; et - la figure 10 illustre un organigramme pour un procédé de refroidissement d'une buse de diffusion à étagement d'air pour une chambre de combustion de turbine à gaz. Les modes de réalisation de la présente invention d'une buse de diffusion à étagement d'air pour une chambre de combustion de turbine à gaz présentent de nombreux avantages. Ils améliorent le mélange du combustible gazeux et de l'air, réduisant ainsi les émissions de turbine à gaz et réduisant aussi la formation de suie pendant le démarrage. La buse de diffusion à étagement d'air extrait aussi de l'air du chemin d'écoulement d'air principal et introduit un flux d'air au centre de la pointe de buse avec un mouvement tourbillonnaire (swirl). Pour des combustibles hautement réactifs en particulier, une température élevée est observée sur la pointe de buse du fait de la proximité de la flamme. L'introduction de cet air dérivé refroidit la pointe de buse, formant un film d'air froid entre la surface de la pointe de buse et les gaz chauds dans le tube de brûleur en aval. Le flux d'air quittant la pointe de buse et le mouvement tourbillonnaire imprimé au flux d'air agissent pour améliorer le mélange du combustible gazeux avec l'air. L'agencement de l'invention est souhaitable pour des chambres de combustion sèche à faibles NOx (DLN) avec de multiples buses de diffusion et peut aussi être utilisé avantageusement sur des chambres de combustion à une seule buse. La figure 1 est une vue en coupe isométrique d'un mode de réalisation pour une buse de diffusion à étagement d'air de l'invention pour une chambre de combustion d'une turbine à gaz. La buse de diffusion à étagement d'air 100 peut inclure un corps de buse 110 tronconique sur un axe longitudinal 111, bordé par une paroi périphérique 115 et une paroi de fermeture d'extrémité 125 en aval définissant une cavité de combustible gazeux 130 dans le corps de buse. Le diamètre de la paroi périphérique 115 peut diminuer depuis une extrémité amont 112 vers une extrémité de pointe 113 située en aval. Une source de combustible gazeux 120 est fournie depuis l'extrémité amont 112 alimentant la cavité de combustible gazeux 130. De l'air comprimé 135 peut être alimenté depuis un espace extérieur 136 situé radialement à l'extérieur de la paroi périphérique 115 et enfermé dans la chambre de combustion (figure 8). L'air comprimé 135 peut être alimenté par de l'air de décharge provenant du compresseur d'air de la turbine à gaz (figure 8). Des ailettes de tourbillonnement 141 du dispositif extérieur à tourbillon 140 peuvent s'étendre radialement vers l'extérieur et en aval de la paroi de fermeture d'extrémité 125 du corps de buse 110 définissant des passages 142 d'écoulement vers un espace de tube de brûleur 145 situé en aval. Une pluralité de passages de combustible gazeux 150 peuvent pénétrer à travers la paroi périphérique 115 pour conduire du combustible gazeux 151 depuis la cavité de combustible gazeux 130 jusque dans chacun des passages 142 entre les ailettes de tourbillonnement 141. Le mélange de combustible gazeux et d'air comprimé passant à travers chacune des ailettes de tourbillonnement 141 initie un flux tourbillonnaire 143 de combustible gazeux et d'air comprimé qui se poursuit sous forme d'un mélange combustible gazeux-air comprimé tourbillonnant dans le tube de brûleur 145 en aval de la buse 100. Une chambre d'air de refroidissement 160 peut être placée à l'extrémité aval de la cavité de combustible gazeux 130 à proximité de la paroi de fermeture d'extrémité 125. La chambre d'air de refroidissement 160 peut inclure une paroi périphérique 161 incluant une partie saillante 162 s'étendant vers l'aval à travers une partie centrale de la paroi de fermeture d'extrémité 125 autour de l'axe longitudinal 111. La paroi périphérique 161 peut être globalement cylindrique le long de l'axe longitudinal et fermée sur la paroi d'extrémité amont 177. La partie saillante 162 peut être tronconique, avec des parois latérales 172 coniques au niveau de l'extrémité aval. La partie saillante 162 peut être formée d'un seul bloc avec la paroi de fermeture d'extrémité 125. La chambre d'air de refroidissement 160 peut être en communication fluidique avec l'espace extérieur 136 d'air comprimé 135. Le chemin de communication peut inclure des perforations 116 de la paroi périphérique 115 et des perforations 164 de la chambre d'air de refroidissement 160 correspondantes interconnectées avec des éléments de tubage creux 170. Le nombre et la taille des perforations 116, 164 et le nombre et le diamètre 171 des éléments de tubage creux 170 peuvent être agencés pour fournir un volume suffisant d'air comprimé à la chambre d'air de refroidissement 160 pour satisfaire les besoins de refroidissement de la pointe de la buse, limiter l'impact des gaz chauds venant de l'espace de tube de brûleur 145 situé en aval sur la surface aval de l'extrémité de pointe 113 de buse, et favoriser le mélange dans l'espace de tube de brûleur 145 aval. Le tubage creux 170 peut être agencé radialement entre la paroi périphérique 115 du corps de buse 110 et la paroi périphérique 161 de la chambre d'air de refroidissement 160. Le tubage creux 170 peut aussi être agencé en symétrie circonférentielle autour de la chambre d'air de refroidissement 160. La face aval 163 de la partie saillante 162 de la chambre d'air de refroidissement 160 peut affleurer la face amont 126 de la paroi de fermeture d'extrémité 125. La partie saillante 162 peut inclure une pluralité de passages d'écoulement de refroidissement 165 entre la face intérieure 166 et la face aval 163. Les passages de refroidissement 165 peuvent être agencés comme un dispositif intérieur à tourbillon 180 pour décharger un flux tourbillonnaire rotationnel d'air comprimé depuis la face aval 163 dans le tube de brûleur 145. La figure 2 illustre une vue en coupe de la buse de diffusion à étagement d'air. La figure 3 illustre une vue extérieure de la pointe d'extrémité de la buse de diffusion à étagement d'air. Plus précisément, les passages 165 peuvent être agencés dans un dispositif intérieur à tourbillon 180 entre des ailettes de tourbillonnement 181 qui impriment une vitesse de décharge 195 à l'air comprimé déchargé dans le tube de brûleur 145. La vitesse de décharge 195 peut être la résultante d'une vitesse axiale 183 et d'une vitesse circonférentielle 184. Les ailettes de tourbillonnement 181 et les passages 165 vers le tube de brûleur peuvent être agencés pour imprimer une vitesse circonférentielle (rotationnelle) 184 dans le même sens de rotation 196 ou dans un sens de rotation opposé 197 au sens de rotation 144 imprimé au mélange de combustible gazeux par le dispositif extérieur à tourbillon 140. Le sens de rotation du flux d'air comprimé à travers la partie saillante 162 par rapport au sens de rotation du mélange gaz-air venant du dispositif extérieur à tourbillon 140 influence le mélange du combustible gazeux et de l'air dans le tube de brûleur. L'air déchargé tend aussi à refroidir la pointe et forme un film fin d'air froid 190 sur la surface aval 163. En outre, la composante axiale 183 de la vitesse de l'air comprimé entrant dans le tube de brûleur 145 peut empêcher le flux en rotation des gaz chauds dans le tube de brûleur 145 d'impacter la pointe de buse. Les ailettes de tourbillonnement 181 peuvent en outre être formées pour ajouter une composante de vitesse radiale 186 au mélange gaz-air, influençant encore le mélange dans l'espace de tube de brûleur. En conséquence, le volume du flux d'air comprimé, la vitesse axiale du flux d'air comprimé, la vitesse rotationnelle du flux d'air comprimé, et le sens de rotation du flux d'air comprimé par rapport au flux en rotation du mélange combustible-air venant du dispositif extérieur à tourbillon fournissent des paramètres de conception réglables qui améliorent le mélange du combustible et de l'air dans le tube de brûleur, favorisant ainsi des émissions réduites et une réduction de la formation de suie lors du démarrage. En outre en créant un film d'air froid et en forçant le flux en rotation des gaz chauds à s'éloigner de la pointe de la buse, le flux d'air comprimé refroidit la pointe de la buse. La figure 4 illustre une vue isométrique d'un mode de réalisation de la chambre d'air de refroidissement 160 de la buse de diffusion à étagement d'air. La chambre d'air de refroidissement 160 inclut une paroi périphérique 161 formant un corps généralement cylindrique fermé à son extrémité amont 177 autour de la cavité d'air de refroidissement. Une partie saillante 162 de forme tronconique s'étend en aval incluant un dispositif intérieur à tourbillon 180 pour la buse (non montré) à l'extrémité aval. Une pluralité d'éléments de tube 170 pour recevoir de l'air comprimé dans la cavité d'air de refroidissement 178 s'étendent radialement depuis la paroi périphérique 161, de préférence dans un agencement symétrique. Le diamètre intérieur 171 des tubes peut être choisi pour fournir un volume suffisant d'air comprimé pour le dispositif intérieur à tourbillon 180. Le dispositif intérieur à tourbillon 180 peut inclure une pluralité de passages tourbillonnaires 165 qui déchargent à travers la surface aval 163 et dont l'agencement et les propriétés d'écoulement ont été décrits auparavant. Le nombre, la forme, la taille et l'orientation des passages tourbillonnaires 165 peuvent être sélectionnés pour fournir un volume et un écoulement appropriés d'air comprimé pour favoriser le refroidissement et le mélange dans l'espace de tube de brûleur 145. La figure 4 illustre la face aval 163 de la partie saillante 162 d'un mode de réalisation pour la chambre d'air de refroidissement 160 de la buse de diffusion à étagement d'air, incluant des trous de refroidissement de pointe 187. Les trous de refroidissement de pointe 180 peuvent former un motif circulaire sur la face aval 163 et sur la face intérieure 166 (figure 3) de la paroi 163 de la partie saillante 162 de la cavité d'air de refroidissement 160. Les motifs circulaires des trous de refroidissement de pointe sur les faces respectives 163, 166 peuvent être déplacés angulairement par rapport à l'axe longitudinal 111 définissant un passage 192 à travers la partie saillante 152 de telle manière que la décharge 193 depuis la face aval 163 inclut à la fois une composante d'écoulement axial 198 et une composante d'écoulement circonférentiel 199. Le déplacement angulaire des trous de refroidissement de pointe 180 sur des côtés respectifs peut être agencé alternativement, permettant à la composante d'écoulement circonférentiel d'être inversée, permettant ainsi à l'écoulement circulaire d'avoir un même sens de rotation 196 ou un sens de rotation opposé 197 à celui créé par le dispositif extérieur à tourbillon 140 (figure 4). En outre, comme montré sur la figure 5, les trous de pointe 180 peuvent être agencés avec un déplacement radial entre la face intérieure 166 (figure 3) et la face aval 163 de la paroi aval ajoutant une composante d'écoulement radial sortant de la face aval 163. Alors qu'une configuration circulaire des trous a été illustrée, on comprendra que l'on puisse utiliser des motifs, des formes, des tailles et des nombres différents de trous et de direction de décharge favorisant le mélange du combustible gazeux avec l'air dans le tube de brûleur et le refroidissement de la pointe de buse. La figure 7 illustre une vue agrandie d'un mode de réalisation de la buse de diffusion à étagement d'air de l'invention avec un tube de brûleur. La buse 100 reçoit un combustible gazeux depuis une source de combustible gazeux 112 située à une extrémité amont du corps de buse 110 à travers des orifices 117 de la plaque de combustible 114. De l'air comprimé est fourni au niveau du corps de buse 110 à travers un espace extérieur 136. L'air comprimé passe à travers les perforations de paroi périphérique 164 et ensuite à travers des éléments de tube 170 vers la chambre d'air de refroidissement 160, et au-delà de l'extension de paroi de dispositif à tourbillon 148 vers le dispositif extérieur à tourbillon 140. Le tube de brûleur 146 est relié au corps de buse 110 par une liaison 147 de corps de buse-tube de brûleur. Le mélange de combustible gazeux et d'air 143 venant des passages d'écoulement 142 du dispositif extérieur à tourbillon extérieur 140 est déchargé dans l'espace de tube de brûleur 145 avec une rotation tourbillonnaire et une vitesse vers l'aval. L'air comprimé s'écoule à travers la chambre d'air de refroidissement 160 à travers des passages tourbillonnaires 165 du dispositif intérieur à tourbillon 180 dans l'espace de tube de brûleur 145 du tube de brûleur 146 avec une rotation tourbillonnaire. La rotation tourbillonnaire de l'écoulement depuis les passages de dispositif intérieur à tourbillon 180 jusque dans l'espace de tube de brûleur 145 peut être dans le même sens de rotation ou dans un sens de rotation opposé au tourbillon venant du dispositif extérieur à tourbillon 140. La figure 8 illustre une vue en coupe d'un mode de réalisation pour une chambre de combustion sèche à faibles NOx (DLN) pour une turbine à gaz 300 qui inclut la buse de diffusion à étagement d'air 100 de l'invention. La turbine à gaz 300 inclut aussi un compresseur 312 (partiellement montré), une pluralité de chambres de combustion 314 (une seule étant montrée pour plus de clarté et de commodité), et une turbine 316 (représentée par une seule pale). Bien que cela ne soit pas précisément montré, la turbine 316 est reliée par entraînement au compresseur 312 le long d'un axe commun. Le compresseur 312 comprime l'air d'entrée, qui s'écoule ensuite inversement vers la chambre de combustion 314 où il est utilisé pour refroidir la chambre de combustion et pour fournir de l'air au processus de combustion. Bien qu'une seule chambre de combustion 314 soit montrée, la turbine à gaz 300 inclut une pluralité de chambres de combustion 314 situées autour de sa périphérie. Un conduit de transition 318 relie l'extrémité de sortie de chaque chambre de combustion 314 avec l'extrémité d'entrée de la turbine 316 pour délivrer les gaz de combustion chauds à la turbine 316. Chaque chambre de combustion 314 inclut un carter de combustion 324 sensiblement cylindrique qui est fixé à une extrémité avant ouverte à un carter de turbine 326 au moyen de boulons 328. L'extrémité amont du carter de combustion 324 est fermée par un ensemble de couvercle d'extrémité qui peut inclure des tubes d'alimentation conventionnels, des distributeurs et des soupapes associées, etc. pour alimenter en gaz, en combustible liquide et en air (et en eau si on le souhaite) la chambre de combustion 314. Le distributeur de combustible gazeux 350 peut fournir du combustible gazeux pour la buse de diffusion à étagement d'air 100. L'ensemble de couvercle d'extrémité fournit une pluralité (par exemple, six) d'ensembles de buse de diffusion à étagement d'air 100 de l'invention (seule une est montrée pour commodité et clarté) agencées dans un réseau circulaire autour d'un axe longitudinal 311 de la chambre de combustion 314. La figure 9 illustre l'agencement circulaire des buses de diffusion à étagement d'air 100 avec le dispositif extérieur à tourbillon 140 et le dispositif intérieur à tourbillon 180, les buses étant montées sur l'ensemble de couvercle d'extrémité et alimentées depuis les tubulures de combustible gazeux 350. En se référant encore à la figure 8, une buse de combustible secondaire 380 peut être montée dans un corps central 381. Chaque buse de combustible à étagement d'air 100 est alimentée en combustible gazeux 120 par une section arrière d'alimentation 352 et délivre un mélange tourbillonnaire de gaz et d'air à l'espace de tube de brûleur 145. Dans le carter de combustion 324, est monté, de manière sensiblement concentrique, un manchon d'écoulement 334 sensiblement cylindrique qui est relié à son extrémité avant à la paroi extérieure 336 du conduit de transition 318. Le manchon d'écoulement 334 est relié à son extrémité arrière au carter de combustion 324 où des sections avant et arrière du carter de combustion 324 sont reliées.
Dans le manchon d'écoulement 334, il y a une chemise de combustion 338 agencée concentriquement, qui est reliée à son extrémité avant à la paroi intérieure 340 du conduit de transition 318. L'extrémité arrière de la chemise de combustion est supportée par un ensemble de couvercle de chemise de combustion 342, qui est, à son tour, supporté dans le carter de combustion 324. On appréciera que la paroi extérieure 336 du conduit de transition 318, ainsi que cette partie du manchon d'écoulement 334 qui s'étend vers l'avant de l'emplacement où le carter de combustion 324 est vissé au carter de turbine 326 peut être formée avec un réseau d'ouvertures 344 sur leurs surfaces périphérique respectives pour permettre à l'air d'inverser son écoulement depuis le compresseur 312 à travers les ouvertures 344 dans l'espace annulaire entre le manchon d'écoulement 334 et la chemise 338 vers l'extrémité amont ou arrière de la chambre de combustion 314 (comme indiqué par les flèches d'écoulement 370). L'agencement est tel que l'air s'écoulant dans l'espace annulaire entre la chemise 338 et le manchon d'écoulement 334 est forcé à changer encore de direction dans l'extrémité arrière de la chambre de combustion 314 et à s'écouler (voir figure 1) dans l'espace 136 extérieur à la buse de diffusion à étagement d'air 100, où il est rendu disponible pour le dispositif extérieur à tourbillon 140 de la buse et vers la chambre d'air de refroidissement 160 pour s'écouler à travers les dispositifs intérieurs à tourbillon 180, et l'espace de tube de brûleur 145 avant d'entrer dans la zone de combustion ou chambre de combustion 390. Pour des buses de diffusion de l'art antérieur avec seulement un dispositif extérieur à tourbillon, une bulle de recirculation de gaz chauds peut être formée dans le tube de brûleur et des tubes de prémélange en réponse au mélange tourbillonnaire de combustible et d'air déchargé depuis l'extérieur autour d'une périphérie extérieure du tube de brûleur. Cet écoulement vers l'aval du mélange air-combustible encourage une circulation de gaz chauds depuis l'aval vers l'amont le long d'une zone centrale du tube de brûleur, amenant ainsi le gaz chaud à proximité de l'extrémité de pointe de buse. Le flux chauffe l'extrémité de pointe de la buse et favorise la formation de suie sur l'extrémité de pointe de la buse pendant le démarrage et le fonctionnement à faible puissance. Avec l'air tourbillonnaire venant du dispositif intérieur à tourbillon de la buse à étagement d'air de l'invention, le gaz chaud de recirculation qui stagne est forcé en arrière et loin de l'extrémité de pointe. En outre, le flux d'air froid à travers l'extrémité de pointe crée un film d'air froid sur la pointe. Le flux d'air venant du dispositif intérieur à tourbillon réduit encore la fraction massique de combustible près de l'extrémité de pointe de la buse, favorisant un profil non mélangé uniforme grâce à la buse à étagement d'air. La région de faible vitesse apparaissant au centre de l'extrémité de pointe dans l'art antérieur est altérée, comme décrit ci-dessus, par la décharge tourbillonnaire du dispositif intérieur à tourbillon. Une vitesse axiale élevée à la périphérie du tube de brûleur est aussi réduite avec la buse à étagement d'air de l'invention du fait du dispositif intérieur à tourbillon. En outre, la fraction massique de combustible devient plus uniforme au niveau de la sortie de tube de brûleur par rapport à l'art antérieur et la non mélangeabilité est réduite au niveau de la sortie de tube de brûleur. Le mélange amélioré a une influence positive sur les émissions de la turbine à gaz. La présente invention concerne également un procédé de refroidissement de l'extrémité de pointe d'une buse de diffusion à étagement d'air disposée dans une chambre de combustion d'une turbine à gaz avec un compresseur et une turbine, où la buse est disposée en amont d'un tube de brûleur de la chambre de combustion. La figure 10 illustre un organigramme du procédé de refroidissement de la pointe de buse de la buse de diffusion à étagement d'air et le mélange du combustible gazeux avec de l'air dans la section de tube de brûleur. A l'étape 410, on fournit une buse de diffusion de combustible gazeux à étagement d'air, la buse incluant un corps de buse avec une cavité de combustible gazeux bordée par une paroi périphérique extérieure disposée le long d'un axe longitudinal de la buse ; une paroi de fermeture d'extrémité, une chambre d'air de refroidissement disposée dans la cavité de combustible gazeux ; un dispositif extérieur à tourbillon alimenté par du combustible gazeux depuis la cavité de combustible gazeux et de l'air comprimé venant d'un espace extérieur entourant le corps de buse ; et une saillie vers l'avant de la chambre d'air de refroidissement, s'étendant à travers la paroi périphérique dans et faisant saillie à travers une paroi de fermeture d'extrémité de la chambre de combustible centrale. A l'étape 415, on alimente un combustible gazeux vers la cavité de combustible gazeux depuis une source de combustible gazeux amont. A l'étape 420, on dévie du combustible gazeux pour le faire s'écouler à travers des trous d'injection de gaz définis autour d'une périphérie de la paroi de fermeture d'extrémité dans des passages de tourbillonnement du dispositif à tourbillon extérieur. L'étape 425 mélange le combustible gazeux avec de l'air comprimé venant de l'espace extérieur dans le dispositif extérieur à tourbillon. A l'étape 430, on décharge le combustible gazeux et l'air comprimé tourbillonnaires avec un sens de rotation dans un espace de tube de brûleur en aval de la paroi de fermeture d'extrémité du corps de buse.
L'étape 440 consiste à dévier l'air comprimé en fournissant l'écoulement d'air comprimé depuis l'espace extérieur vers la chambre d'air de refroidissement avec des tubes reliés fluidiquement à travers la paroi périphérique extérieure de la cavité de combustible gazeux vers la chambre d'air comprimé et reliée fluidiquement à travers une paroi périphérique de la chambre d'air de refroidissement vers une cavité d'air de refroidissement dedans. Le dimensionnement des tubes et des perforations à travers les parois périphériques du corps de buse et la chambre d'air de refroidissement sont choisis pour fournir un flux d'air comprimé suffisant pour refroidir la pointe de la buse. Le dimensionnement des tubes et perforations à travers les parois périphériques du corps de buse et la chambre d'air de refroidissement peut en outre être choisi pour fournir un flux d'air comprimé suffisant pour favoriser le mélange de combustible gazeux et d'air tourbillonnaires dans l'espace de brûleur depuis le dispositif extérieur à tourbillon. Lors de l'étape 445, la déviation de l'air comprimé permet de faire passer l'air comprimé à travers un dispositif intérieur à tourbillon sur une saillie avant de la paroi périphérique de la chambre d'air de refroidissement sur la pointe de la buse vers un espace du tube de brûleur en aval de la buse. Le dimensionnement des passages d'ailettes de tourbillonnement et l'orientation des passages d'ailettes de tourbillonnement sont agencés pour refroidir la pointe de buse. Le dimensionnement des passages d'ailettes de tourbillonnement et l'orientation des passages d'ailettes de tourbillonnement peuvent être choisis pour mélanger le combustible gazeux et l'air dans l'espace de tube de brûleur. L'étape 450 permet alternativement l'écoulement de l'air comprimé à travers une pluralité de trous de pointe dans la saillie avant de la paroi périphérique de la chambre d'air de refroidissement. Le dimensionnement des trous de pointe et l'orientation des trous de pointe peuvent être choisis pour refroidir la pointe de buse ou favoriser le mélange de combustible gazeux et d'air dans l'espace de brûleur ou pour les deux fonctions. Le procédé peut inclure d'autres agencements des ailettes de tourbillonnement et des trous de pointe et peut en outre inclure des combinaisons d'ailettes de tourbillonnement et de trous de pointe. Une décharge de l'air comprimé venant de la pointe de buse peut générer une vitesse axiale aval et une vitesse en rotation pour l'air comprimé par rapport à l'axe longitudinal de la buse. La vitesse en rotation de l'air comprimé déchargé de la pointe de buse, lors de l'étape 460, peut être dans le même sens que le sens de tourbillonnement causé par le dispositif extérieur à tourbillon 140. Dans l'étape 465 au contraire, il est prévu un sens opposé au sens de tourbillonnement causé par le dispositif extérieur à tourbillon 140. Lors de l'étape 470, la décharge permet de refroidir la pointe de buse. Lors de l'étape 480, la décharge permet de mélanger le combustible gazeux et l'air depuis le dispositif extérieur à tourbillon 140 dans l'espace de tube de brûleur 145, où le mélange amélioré favorise des émissions réduites de la turbine à gaz.