B11-5816FR 1 Injecteur secondaire de combustible sans tétons L'invention concerne de façon générale les turbines à gaz et, plus spécifiquement, des systèmes de combustion à injecteurs de combustible secondaire pour turbines à gaz. Les constructeurs de turbines à gaz poursuivent des programmes de recherche et d'études visant à élaborer de nouvelles turbines à gaz qui fonctionneront à un rendement élevé sans produire d'émissions indésirables de polluants atmosphériques. Les principales émissions de polluants atmosphériques généralement produites par des turbines à gaz brûlant des combustibles classiques à base d'hydrocarbures sont composées d'oxydes d'azote, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés. On sait parfaitement, dans la technique, que l'oxydation d'azote moléculaire dans des moteurs aérobies dépend fortement de la température maximale des gaz chauds dans la zone de réaction du système de combustion. La vitesse des réactions chimiques formant des oxydes d'azote (NOx) est une fonction exponentielle de la température. Si la température des gaz chauds dans la chambre de combustion est limitée à un niveau suffisamment bas, il ne sera pas produit de NOx thermiques. Un procédé préféré pour réguler la température dans la zone de réaction d'un système de combustion de moteur thermique sous le niveau auquel se forment des NOx thermiques consiste à prémélanger, avant la combustion, un combustible et de l'air sous la forme d'un mélange pauvre. La masse thermique de l'excédent d'air présent dans la zone de réaction d'un système de combustion à prémélange pauvre absorbe de la chaleur et réduit l'élévation de température des produits de combustion à un niveau où il ne se forme pas de NOx thermiques. Des injecteurs de combustible à prémélange pauvre pour réduire les émissions sont couramment employés dans toute l'industrie, ayant été mis en oeuvre dans des turbines industrielles à gaz de forte capacité. De tels dispositifs ont beaucoup progressé dans le domaine de la réduction des émissions d'échappement des turbines à gaz. Une diminution des émissions d'oxydes d'azote, les NOx, d'un ordre de grandeur ou davantage par rapport aux brûleurs à flamme de diffusion selon la technique antérieure, a été obtenue sans le recours à l'injection d'un diluant tel que la vapeur ou l'eau. Une configuration courante de systèmes de combustion dans les turbines à gaz présente un ensemble annulaire d'injecteurs primaires dont chacun refoule du combustible dans la chambre de combustion primaire, et un injecteur secondaire central qui refoule du combustible dans la chambre de combustion secondaire. L'injecteur secondaire a un tuyau axial d'alimentation en combustible entouré, à son extrémité de refoulement, par une vrille d'air qui fournit de l'air de combustion à la sortie de l'injecteur de combustible. Souvent, l'injecteur secondaire est utilisé comme injecteur secondaire de combustible à deux stades (diffusion et prémélange) uniquement pour un gaz, avec deux circuits de combustible. Cela permet à l'injecteur de fonctionner en mode prémélange ou en mode diffusion. L'injecteur secondaire de chaque système de combustion est situé dans un corps central et s'étend à travers une chemise munie d'une vrille par l'intermédiaire de laquelle de l'air de combustion est introduit pour se mélanger à un combustible provenant de l'injecteur secondaire. L'injecteur secondaire est conçu pour refouler un combustible dans une zone formant un col entre une chambre de combustion primaire amont et une chambre de combustion secondaire aval. Le combustible est fourni à l'injecteur secondaire par l'intermédiaire de tuyaux de diffusion et de prémélange à disposition concentrique. La figure 1 représente une section de prémélange d'un d'injecteur secondaire 5 de combustible selon la technique antérieure. La section de prémélange 10 comporte de multiples tétons 15 fixés à une surface extérieure 16 de la paroi extérieure 17 du corps 20 de l'injecteur de combustible, chacun avec une soudure d'angle 18. Les multiples tétons 15 s'étendent radialement vers l'extérieur depuis le corps de l'injecteur de combustible et sur le pourtour de celui-ci à des emplacements individuels. De multiples distributeurs secondaires 25 sont disposés radialement à l'intérieur de la paroi 17 de l'injecteur de combustible, chaque distributeur étant installé entre une surface intérieure 19 de la paroi 17 de l'injecteur de combustible et une structure de support 22 radialement vers l'intérieur. Des chambres 30 à combustible sont également disposées radialement vers l'intérieur à partir des distributeurs secondaires 25, lesquelles chambres peuvent être alimentées en combustible depuis une partie arrière (non représentée) de l'injecteur secondaire de combustible. Le distributeur secondaire 25 peut comprendre des passages radiaux 26 provenant de la chambre 30 à combustible située au-dessous, communiquant à travers la paroi 17 de l'injecteur de combustible et à travers le téton 15. Les passages radiaux communiquent avec des passages de refoulement 27 et à travers des trous d'injection 28 de combustible débouchant dans l'espace de prémélange 40 autour du corps 20 de l'injecteur de combustible. Les tétons 15 interrompent la distribution du flux d'air 45 et provoquent un mélange radial et circonférentiel inégal du combustible et de l'air. Par ailleurs, en raison de leurs dimensions et leur forte pénétration dans l'espace de prémélange 40, les tétons 15 provoquent une chute de pression indésirable. De la sorte, on a besoin de disposer d'un dispositif de prémélange pour l'injecteur secondaire de combustible qui soit simple et exerce une meilleure régulation du mélange de combustible et d'air. Un premier aspect de la présente invention propose un injecteur secondaire de combustible pour un système de combustion de turbine à gaz, le système de combustion fournissant un flux d'air de combustion aval dans un espace de prémélange de combustible et d'air autour de l'injecteur secondaire de combustible. L'injecteur secondaire de combustible comporte un corps tubulaire allongé avec une extrémité du côté source de combustible et une extrémité du côté buse. L'injecteur comporte également un distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant pour prémélanger un combustible avec un flux d'air de combustion en aval. Le distributeur d'injection de combustible est doté d'une forme globalement annulaire dans le corps tubulaire allongé et est disposé entre l'extrémité côté source de combustible et l'extrémité côté buse. Le distributeur d'injection de combustible s'étend radialement depuis l'intérieur du corps tubulaire allongé jusqu'à un emplacement radialement au-dessus et à l'extérieur du corps tubulaire allongé. Le distributeur s'étend dans la direction circonférentielle tout autour du corps de distributeur allongé dans un espace de prémélange de combustible et d'air à l'extérieur du corps tubulaire allongé. L'injecteur secondaire de combustible comporte également un passage de combustible depuis une extrémité côté source de combustible du corps tubulaire allongé jusqu'au distributeur d'injection de combustible, fournissant un combustible de prémélange au distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant. De multiples canaux de combustible permettent une communication fluidique pour le combustible de prémélange entre le passage de combustible de prémélange dans le corps tubulaire allongé et de multiples sorties de refoulement de combustible sur la surface extérieure du distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant. Les canaux de combustible pour le combustible de prémélange sont répartis dans la direction circonférentielle autour du corps annulaire du distributeur d'injection de combustible. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé un système de combustion pour turbine à gaz comportant une turbine et un compresseur. Le système de combustion comporte un injecteur secondaire de combustible disposé suivant un axe géométrique central du système de combustion et au moins un injecteur primaire de combustible entourant l'injecteur secondaire de combustible. Un flasque constitue une ou plusieurs sources de combustible pour les injecteurs primaires de combustible et l'injecteur secondaire de combustible. L'injecteur secondaire de combustible comprend un corps tubulaire allongé ayant une extrémité côté source de combustible et une extrémité opposée côté buse. Le corps tubulaire allongé comprend de multiples passages internes formés dans des tubes concentriques fournissant de l'air et un combustible à un injecteur côté buse et une vrille côté buse. Un distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant est prévu pour prémélanger du combustible avec un flux d'air de combustion en aval. Le distributeur d'injection de combustible se présente sous la forme d'un corps globalement annulaire dans le corps tubulaire allongé et est disposé entre l'extrémité côté source de combustible et l'extrémité côté buse. Le distributeur d'injection de combustible s'étend radialement depuis l'intérieur du corps tubulaire allongé jusqu'à un emplacement radialement au-dessus et sur tout le pourtour d'un espace de prémélange de combustible et d'air à l'extérieur du corps tubulaire allongé. Le corps du distributeur d'injection de combustible disposé radialement au-dessus du corps tubulaire allongé forme une surface extérieure à profil aérodynamique pour de l'air de combustion dans l'espace de prémélange. Les extrémités axiales de la surface extérieure du distributeur d'injection de combustible présentent une légère conicité radiale pour leur fixation à une surface extérieure radiale du corps tubulaire allongé. Un passage de combustible à partir d'une extrémité côté source de combustible du corps tubulaire allongé jusqu'à proximité du distributeur d'injection de combustible fournit un combustible de prémélange au distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant. De multiples canaux de combustible assurent une communication fluidique entre le passage de combustible de prémélange dans le corps tubulaire allongé et de multiples sorties de refoulement de combustible sur la surface extérieure du distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant. Les multiples canaux de combustible sont disposés dans la direction circonférentielle autour du corps du distributeur d'injection de combustible. Brièvement, selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé un distributeur d'injection de combustible pour un combustible de prémélange d'un injecteur secondaire de combustible d'un système de combustion de turbine à gaz. Le distributeur d'injection de combustible comporte un corps d'un seul tenant formant un segment globalement annulaire d'un tube d'injecteur pour un injecteur secondaire de combustible de turbine à gaz. Le corps d'un seul tenant comprend une section intérieure radiale destinée à se monter dans le tube d'injecteur et une partie radialement saillante à surface extérieure à forme aérodynamique destinée à s'étendre au-dessus de la surface extérieure du tube de l'injecteur jusque dans un espace de prémélange de l'injecteur secondaire de combustible. Le corps d'un seul tenant est alimenté grâce à une source de combustible de prémélange, depuis l'intérieur du tube de l'injecteur. De multiples canaux d'injection de combustible dans le corps d'un seul tenant établissent un trajet de communication fluidique pour le combustible de prémélange depuis la source de combustible à l'intérieur du tube de l'injecteur jusqu'à une sortie de refoulement de combustible dans l'espace de prémélange entourant radialement le tube de l'injecteur. Une ou plusieurs sorties de refoulement de combustible débouchant dans l'espace de prémélange entourant le tube de l'injecteur sont présentes pour chacun des canaux de combustible. Les sorties de refoulement de combustible sont conçues pour améliorer le mélange de combustible avec un flux d'air de combustion dans l'espace de prémélange. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une section de prémélange d'un injecteur secondaire de combustible selon la technique antérieure ; - la figure 2 illustre une forme de réalisation d'un injecteur secondaire de combustible comportant un distributeur d'injection de combustible selon l'invention ; - la figure 3 représente une vue isométrique agrandie écorchée d'une forme de réalisation du distributeur d'injection de combustible d'un seul tenant du corps allongé de l'injecteur ; - la figure 4 représente une coupe suivant A-A passant par un centre d'une forme de réalisation de la section distributeur d'injection de combustible du corps allongé d'injecteur ; - la figure 5 représente une vue isométrique extérieure d'une forme de réalisation d'un distributeur d'injection de combustible sectionné sur le côté aval ; - la figure 6 représente une interface aval en coupe pour une forme de réalisation du distributeur d'injection de combustible à bague de support ; - la figure 7 représente une vue isométrique d'une forme de réalisation d'un dispositif d'injection de combustible dans lequel le distributeur comporte deux trous perpendiculaires au flux d'air ; - la figure 8 illustre une forme de réalisation d'un dispositif d'injection de combustible à fente rectangulaire perpendiculaire au flux d'air ; - la figure 9 illustre une forme de réalisation d'un dispositif d'injection de combustible à fente rectangulaire comportant un angle de refoulement vers l'arrière de 30 degrés par rapport au flux d'air ; - la figure 10 illustre une forme de réalisation d'un dispositif d'injection de combustible à fente rectangulaire comportant un angle de refoulement vers l'avant de 30 degrés par rapport au flux d'air ; et - la figure 11 illustre une forme de réalisation d'un système de combustion pour turbine à gaz employant le distributeur d'injection de combustible selon l'invention pour un injecteur secondaire de combustible. Les formes de réalisation ci-après de la présente invention offrent de nombreux avantages, dont la suppression des tétons s'avançant loin dans le flux de combustible autour du corps de l'injecteur et une meilleure régulation exercée sur le mélange de combustible et d'air sans la gêne inhérente pour la configuration du flux d'air, qui résulte des tétons. Les formes de réalisation de la présente invention intègrent des trous d'injection de combustible dans un distributeur d'injection de combustible du corps de l'injecteur. Le distributeur d'injection de combustible est rendu simple et plus robuste grâce à la suppression des tétons et de la soudure d'angle correspondante entre le corps de l'injecteur et les tétons. En outre, le dispositif selon l'invention facilite la fabrication, la modernisation et la réduction des coûts.
La figure 2 illustre une forme de réalisation d'un injecteur secondaire 100 de combustible à distributeur 130 d'injection de combustible selon l'invention. L'injecteur secondaire de combustible comporte une embase 105 qui comprend des moyens de fixation à un système de combustion d'une turbine à gaz et qui fournit un combustible et de l'air à un corps allongé 120 de l'injecteur. Le corps allongé d'injecteur comprend une extrémité 106 côté embase et une extrémité 107 côté buse. L'extrémité 107 côté buse comprend une buse d'injection 108 alimentée par un passage central 110 de combustible et un passage 111 d'air pour de l'air de refroidissement destiné à la buse d'injection 108. L'extrémité 107 côté buse comprend en outre une vrille 115 d'air prélevant de l'air dans le passage 112 d'air radialement à l'extérieur de la buse d'injection 108 pour créer un mélange tourbillonnant de combustible et d'air en aval. Le long du corps allongé 120 de l'injecteur, un distributeur 130 d'injection de combustible est présent pour injecter un combustible dans un flux 160 d'air d'une section de prémélange 150. Le distributeur 130 d'injection de combustible est d'un seul tenant. Une partie extérieure 135 du distributeur d'injection de combustible s'étend, avec un profil aérodynamique, radialement vers l'extérieur depuis la paroi extérieure 119 du corps allongé 120 d'injecteur et dans la direction circonférentielle autour du corps allongé de l'injecteur. Une partie intérieure 140 du distributeur d'injection de combustible s'étend radialement jusque dans le corps allongé de l'injecteur et est supporté par une structure intérieure située au- dessous. Le distributeur 130 d'injection de combustible peut être soudé bout à bout à des sections amont et aval de la paroi tubulaire extérieure 119 et d'une troisième paroi tubulaire 118. La figure 3 représente une vue isométrique agrandie écorchée d'une forme de réalisation du distributeur 130 d'injection de combustible d'un seul tenant du corps allongé de l'injecteur. La figure 4 représente une coupe suivant A-A passant par un centre de la section distributeur d'injection de combustible du corps allongé de l'injecteur. Le passage central 110 de combustible fournissant du combustible à la buse d'injection (figure 2) est contenu dans la première paroi tubulaire 116. Le deuxième passage annulaire 111 fournissant de l'air à la buse d'injection est contenu dans la deuxième paroi tubulaire 117. Le troisième passage annulaire 155 fournissant du combustible de prémélange au distributeur 130 d'injection de combustible est contenu dans la troisième paroi tubulaire 118. Le quatrième passage annulaire 112 fournissant de l'air à la vrille (figure 2) à une extrémité côté buse de l'injecteur est contenu dans la paroi extérieure 119. Le distributeur d'injection de combustible se présente sous la forme d'une bague annulaire. La bague annulaire comprend une saillie extérieure 135 à profil aérodynamique lisse, radialement en relief par rapport à la surface extérieure 122 de la paroi extérieure 119. Les extrémités axiales de la saillie 135 présentent une légère conicité radialement vers l'intérieur par rapport à la surface extérieure 122 de la paroi extérieure adjacente 119. La section formant corps interne 140 du distributeur 130 d'injection de combustible d'un seul tenant s'étend radialement vers l'intérieur par rapport à la paroi extérieure adjacente 119. Des secteurs circonférentiels 165 du distributeur d'injection de combustible comprennent des canaux axiaux 175 d'air permettant à de l'air de passer entre des parties amont et aval de passages 112 d'air. Entre les secteurs 165, des canaux radiaux 145 de combustible font passer un combustible pour prémélange du canal 155 de combustible à des sorties 146 de refoulement de combustible débouchant dans le flux d'air de combustion 160 à l'extérieur de la surface extérieure 147 du distributeur.
Des éléments annulaires de support 123 peuvent s'étendre radialement vers l'extérieur sur des secteurs périphériques de la section tubulaire centrale 116 en permettant un soutien et une séparation d'avec la seconde paroi tubulaire 117. Des canaux d'air à travers la section distributeur de combustible sont disposés dans la direction circonférentielle entre les éléments de support 123 et radialement entre la paroi centrale 116 et la deuxième paroi tubulaire 117. Les canaux d'air relient des parties amont et aval des passages 111 d'air. Une bague de support 170 peut s'étendre entre la deuxième paroi tubulaire 117 et le dessous 124 du corps interne 140 du distributeur d'injection de combustible. La bague de support 170 peut supporter radialement le côté aval du corps interne 140 du distributeur. La bague de support 170 peut en outre présenter une paroi d'extrémité 127 pour le passage 155 de combustible de prémélange. Une partie extérieure radiale 169 de la bague peut en outre permettre un appui solide pour l'extrémité aval du corps interne 140 du distributeur d'injection de combustible. La figure 5 représente une vue isométrique en bout d'une forme de réalisation d'un distributeur 130 d'injection de combustible sectionné du côté aval. La partie extérieure en relief 135 peut comprendre une pluralité de sorties 146 de refoulement de combustible (représentées sous la forme de fentes). Dans le présent exemple, quatre sorties 146 de refoulement de combustible sont représentées. L'extrémité aval du distributeur d'injection de combustible comprend un corps interne 140 de distributeur à travers lequel des canaux (non représentés) de refoulement de combustible fournissent un combustible aux extrémités 146 de refoulement de combustible. Des passages 175 d'air sont ménagés à travers le distributeur d'injection de combustible pour fournir de l'air à la vrille (figure 2) à l'extrémité côté buse du corps allongé de l'injecteur. La figure 6 représente une interface aval en coupe du distributeur 130 d'injection de combustible avec une bague de support 170. La bague de support 170 peut s'étendre entre la deuxième paroi tubulaire 117 et le dessous de la partie interne 140 du distributeur, en assurant un support pour le dessous du corps interne 140 du distributeur et en constituant une paroi d'extrémité 127 pour le passage 155 de combustible (figure 3) alimentant les passages 145 d'injection de combustible du distributeur (figure 4).
De nombreuses formes de réalisation du corps de distributeur selon l'invention peuvent être réalisées pour le prémélange de combustible dans un corps allongé d'injecteur avec différentes combinaisons et types de flux interne et combustible et de flux d'air dans le corps du distributeur et ces autres agencements possibles sont considérés comme entrant dans le cadre de la présente invention. La figure 7 représente une vue isométrique en bout du distributeur 130 d'injection de combustible sans éléments intérieurs dans l'injecteur secondaire de combustible. On peut constater dans ce cas que le corps extérieur 135 du distributeur d'injection de combustible comprend une surface extérieure lisse 147 pour réduire la gêne subie par le flux d'air de combustion 160 autour du corps allongé (non représenté) de l'injecteur. Des sections formant corps interne 140 du distributeur d'injection de combustible sont intercalées avec des canaux 175 d'air permettant une communication fluidique pour l'air dans le passage 112 (figure 2) depuis l'extrémité amont du corps allongé de l'injecteur jusqu'à la vrille à l'extrémité côté buse (figure 2). Les sorties 146 d'injection de combustible sont disposées sur le pourtour du distributeur à des emplacements où se trouvent les sections internes 140 du corps. La figure 8 représente un dispositif d'injection de combustible à fente rectangulaire 172 perpendiculaire au flux d'air de combustion 160. La figure 9 représente un dispositif d'injection de combustible à fente rectangulaire 173 comprenant un angle de refoulement vers l'arrière 176 de 30 degrés par rapport au flux d'air de combustion. La figure 10 représente un dispositif d'injection de combustible à fente rectangulaire 174 comprenant un angle de refoulement vers l'arrière 177 de 30 degrés par rapport au flux d'air de combustion 160. Il doit être entendu que des agencements peuvent être dotés d'ouvertures différentes quant à leur forme, leur nombre et l'orientation du combustible refoulé par rapport au flux d'air de combustion. Il doit également être entendu que le corps de l'injecteur de combustible peut également être pourvu, en nombre variable, d'éléments internes 140 du corps du distributeur secondaire et de passages 175 d'air à répartition circonférentielle. Les dimensions, la forme et l'orientation des ouvertures d'injection de combustible depuis les segments du distributeur secondaire, ainsi que le nombre de segments du distributeur secondaire à répartition circonférentielle influencent le mélange radial et circonférentiel du combustible et de l'air. Les performances des divers agencements des figures 7 à 10 peuvent être avantageusement comparées aux performances de base du dispositif à tétons en ce qui concerne l'équivalence, un profil radial de (p (rapport 1/équivalence) et le manque de mélange.
La figure 11 représente un système de combustion 200 pour turbine à gaz pouvant employer le distributeur d'injection 130 de combustible selon l'invention pour un injecteur secondaire 100 de combustible. Une amélioration du prémélange du combustible est permise par le distributeur d'injection 130 de combustible selon l'invention dans l'injecteur secondaire 100 de combustible pour la combustion et a pour effet une amélioration des performances du système de combustion et une réduction des émissions. Ici, le système de combustion 200 comporte une chemise 210 dans la paroi 215 du système de combustion. Le système de combustion comporte une chambre de combustion primaire 217 et une chambre de combustion secondaire 220 au voisinage immédiat et en aval de la chambre de combustion primaire 217, les deux chambres étant séparées par un venturi 225. Au moins un injecteur primaire 230 de combustible est disposé radialement autour d'un axe géométrique central 245 du système de combustion pour fournir un combustible à la chambre de combustion primaire 217. L'injecteur secondaire 100 de combustible peut être disposé le long de l'axe central 245, entouré par au moins un injecteur primaire 230 de combustible, et placé de manière à injecter un combustible vers la chambre de combustion secondaire 220. De l'air de combustion 240 est fourni depuis le compresseur (non représenté) et s'écoule à l'extérieur de la chemise d'écoulement 210 dans un manchon d'écoulement 211, fournissant de l'air aux injecteurs primaires 230 et à l'injecteur secondaire 100 de combustible. Les injecteurs primaires 230 de combustible et l'injecteur secondaire 100 de combustible reçoivent du combustible provenant d'une ou plusieurs sources 231, 101 de combustible par l'intermédiaire du flasque 250. L'injecteur secondaire 100 de combustible représenté avec la section distributeur d'injection de combustible en coupe peut recevoir une première quantité de combustible via le passage central 111 de combustible, jusqu'à la buse d'injection 108. Comme représenté précédemment sur la figure 3, la buse d'injection reçoit également un flux d'air de refroidissement provenant de l'intérieur de l'injecteur secondaire de combustible. La vrille 115 sur le pourtour extérieur de la buse d'injection 108 peut faire tourbillonner de l'air provenant de l'intérieur de l'injecteur secondaire de combustible, ce qui favorise le mélange de combustible et d'air dans la buse d'injection. Le distributeur annulaire 130 d'injection de combustible reçoit le combustible de prémélange à l'intérieur de l'injecteur secondaire de combustible et injecte le combustible de prémélange dans le flux d'air de combustion 160 de l'espace de prémélange 180. Le faible dépassement radial du distributeur 130 d'injection de combustible dans l'espace de prémélange 180 et le profil aérodynamique de la surface extérieure limitent fortement la chute de pression dans l'espace de prémélange 180. Les ouvertures de refoulement de combustible dans la surface extérieure du distributeur 130 d'injection de combustible peuvent avoir une forme, des dimensions, une orientation et un nombre favorisant le mélange dans l'espace de prémélange 180. Une vrille aval 185 peut être placée à la sortie de l'espace de prémélange 180 pour mélanger encore le combustible et l'air de prémélange avec un mélange de combustible et d'air provenant de la buse d'injection 108.