FR2969740A1 - Systeme de sonde optique pour dispositif de combustion - Google Patents
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Abstract
Système (100) de sonde optique utilisable avec une flamme de combustion (90) dans une chambre de combustion (40). Le système (100) de sonde optique peut comporter un certain nombre de sondes optiques (110) assujetties autour de la chambre de combustion (40) et disposées de façon que les sondes optiques (110) interceptent la lumière produite par la flamme de combustion (90) dans un champ de vision de chacune des sondes optiques (110). Un ou plusieurs organes (150) à l'extérieur de la chambre de combustion (40) peuvent produire et analyser des signaux indiquant la lumière produite par la flamme de combustion (90) dans le champ de vision de chacune des sondes optiques (110).
Description
B11-5692FR 1
Système de sonde optique pour dispositif de combustion La présente invention porte de façon générale sur un système de sonde optique pour dispositif de combustion et concerne plus particulièrement un système de sonde optique pour dispositif de combustion avec un certain nombre de sondes à fibres optiques disposées autour d'une chambre de combustion afin de détecter une rétention de flamme et d'autres types de phénomènes liés à la combustion.
Certains types de dispositifs de combustion pour turbine à gaz selon la technique antérieure utilisent une combustion à prémélange pauvre afin de réduire les émissions de gaz tels que les NOX (oxydes d'azote) et autres. De tels systèmes de combustion ont généralement un certain nombre de brûleurs fixés à une seule chambre de combustion. Pendant le fonctionnement, du combustible est injecté par l'intermédiaire d'un certain nombre d'injecteurs de combustible et se mélange à un flux d'air tourbillonnant pour produire une flamme de combustion. En raison de la stoechiométrie en régime pauvre, la combustion à prémélange pauvre peut atteindre des températures de flamme plus basses et ainsi produire moins d'émissions de gaz tels que des NOX et autres. Un aspect des environnements de combustion pauvre est que la vitesse de la flamme peut augmenter à mesure qu'augmente la concentration du combustible. Ainsi, l'aérodynamique de l'ensemble de la zone de combustion peut être conçue de manière à convenir à la vitesse d'une flamme pauvre. Cependant, le mélange de combustible et d'air qui s'approche de la zone de combustion peut ne pas être toujours homogène. Par suite de variations locales dans le mélange de combustible et d'air, la vitesse locale d'une flamme peut dépasser les limites prévues pour la zone de combustion. Si les conditions qui favorisent la grande vitesse d'une flamme pauvre persistent, la flamme risque d'atteindre des structures en amont et de provoquer des dégâts par suite d'une augmentation des effets de la chaleur ou autres. I1 est donc souhaitable de proposer des systèmes et des procédés perfectionnés de contrôle des systèmes de combustion, par exemple des systèmes de sondes optiques pour systèmes de combustion qui soient aptes à détecter des phénomènes de rétention de flamme et des signes avant-coureurs de ceux-ci afin qu'une mesure correctrice puisse être prise avant que des dégâts ne surviennent. Par ailleurs, une telle amélioration du délai de réaction peut également donner la possibilité de réduire les marges de fonctionnement pour permettre des fonctionnements avec des mélanges encore plus pauvres et donc de réduire les émissions de NOX et autres gaz. La présente invention propose ainsi un système de sonde optique destiné à servir avec une flamme de combustion dans une chambre de combustion. Le système de sonde optique peut comporter un certain nombre de sondes optiques assujetties autour de la chambre de combustion et disposées de façon que les sondes optiques recueillent de la lumière produite par la flamme de combustion dans un champ de vision de chacune des sondes optiques. Un ou plusieurs organes à l'extérieur de la chambre de combustion peuvent produire et analyser des signaux indiquant la lumière produite par la flamme de combustion dans le champ de vision de chacune des sondes optiques. La présente invention propose en outre un procédé de contrôle d'une flamme de combustion dans une chambre de combustion. Le procédé peut comporter les étapes de mise en place d'un certain nombre de sondes optiques autour de la chambre de combustion, de production d'un certain nombre de signaux indiquant la flamme de combustion dans un champ de vision de chacune des sondes optiques, et l'analyse des signaux afin de déterminer un emplacement de la flamme de combustion dans la chambre de combustion. La présente invention propose en outre un dispositif de combustion avec une flamme de combustion dans celui-ci. Le dispositif de combustion peut comporter une chambre de combustion et un certain nombre de sondes optiques assujetties autour de la chambre de combustion. Les sondes optiques peuvent être placées de façon que les sondes optiques recueillent de la lumière produite par la flamme de combustion dans un champ de vision de chacune des sondes optiques. Un certain nombre d'organes à l'extérieur de la chambre de combustion peuvent produire et analyser des signaux indiquant la lumière produite par la flamme de combustion dans le champ de vision de chacune des sondes optiques. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue latérale partielle d'un système de combustion utilisable avec le moteur à turbine à gaz de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique du système de sonde optique pour système de combustion selon la présente invention ; - la figure 4 est une vue latérale en plan d'une partie d'une sonde optique selon la présente invention ; - la figure 5 est une vue latérale partielle d'un système de combustion selon la technique antérieure avec la sonde optique pour système de combustion selon la présente invention ; et - la figure 6 est une vue de face en plan d'un système de combustion sur lequel sont placées un certain nombre de sondes optiques. Considérant maintenant les dessins, sur lesquels les mêmes repères désignent des éléments identiques sur toutes les différentes vues, la figure 1 est une vue schématique d'un moteur 10 à turbine à gaz. Le moteur 10 à turbine à gaz peut comprendre un compresseur basse pression 15, un compresseur haute pression 20, un système de combustion 25, une turbine haute pression 30 et une turbine basse pression 35. De l'air circule à travers le compresseur basse pression 15 et l'air comprimé est fourni au compresseur haute pression 20.
L'air fortement comprimé est ensuite fourni au système de combustion 25. Le système de combustion 25 mélange le flux d'air comprimé avec un flux de combustible comprimé et enflamme le mélange afin de créer un flux de gaz de combustion. Le flux de gaz de combustion est fourni à son tour aux turbines 30, 35. Le flux de gaz de combustion entraîne les turbines 30, 35 de manière à produire un travail mécanique. D'autres types de moteurs 10 à turbine à gaz et d'autres configurations d'organes dans ceux-ci sont également connus. La figure 2 est une vue latérale partielle d'un exemple du système de combustion utilisable avec le moteur 10 à turbine à gaz et autres. Le système de combustion 25 comprend une zone ou chambre de combustion 40 et un ensemble en dôme annulaire 45 en amont de la chambre de combustion 40. L'ensemble en dôme annulaire 45 peut comprendre un certain nombre d'ensembles de mélange 50 espacés dans la direction circonférentielle dans celui-ci pour fournir un mélange de combustible et d'air à la chambre de combustion 40. Chaque ensemble de mélange 50 peut comprendre un mélangeur pilote 55 et un mélangeur principal 60. Une rampe de distribution 65 de combustible peut s'étendre entre le mélangeur pilote 55 et le mélangeur principal 60. La rampe de distribution 65 de combustible peut aboutir à un certain nombre d'orifices d'injection 70 disposés autour d'un boîtier principal 75. Une cavité 80 de mélangeur peut être définie entre le boîtier principal 75 et un cyclone 85. D'autres configurations et d'autres organes peuvent être utilisés ici. Le système de combustion 25 décrit ici ne constitue qu'un exemple. D'autres types de systèmes de combustion peuvent être utilisés ici. Comme décrit plus haut, le système de combustion 25 mélange le flux de combustible et le flux d'air afin de produire une flamme de combustion 90.
Les figures 3 et 4 représentent un système 100 de sonde optique pour système de combustion selon la présente invention. Le système 100 de sonde optique pour système de combustion peut comporter une ou plusieurs sondes optiques 110 pour système de combustion disposées autour de la chambre de combustion 40 du système de combustion 25 ou d'un type de dispositif similaire avec la flamme de combustion 90 dans celui-ci ou d'autres types de dynamiques de combustion. N'importe quel type de combustion et/ou de chambre de combustion 40 peut être utilisé ici. Chaque sonde optique 110 pour système de combustion peut comporter un faisceau de fibres optiques 120. Les fibres optiques 120 peuvent être des fibres en quartz ou analogue. D'autres types de fibres optiques 120 peuvent être utilisés. Les fibres optiques 120 sont de préférence des fibres en quartz d'un diamètre relativement petit afin de permettre un rayon de courbure plus petit que celui d'une fibre unique d'un grand diamètre. De plus, les fibres en quartz de petit diamètre peuvent posséder un pouvoir similaire d'interception de lumière. N'importe quelle matière de fibre optique appropriée peut être utilisée ici. Un faisceau 125 des fibres optiques 120 peut être utilisé.
Les fibres optiques 120 peuvent comporter un revêtement 30. Le revêtement 30 peut être un revêtement en or ou autre type de métal précieux. Des revêtements similaires peuvent être utilisés afin d'assurer une protection thermique. D'autres types de revêtements résistant à des températures élevées peuvent également être utilisés.
Les fibres optiques 120 peuvent être placées dans un tube de guidage 140. Le tube de guidage 140 peut être en acier inoxydable ou autres types de matières résistant à la température. Les sondes optiques 110 pour système de combustion avec les fibres optiques 120, les revêtements 130 et le tube de guidage 140 peuvent ainsi résister aux températures et pressions de fonctionnement élevées dans la chambre de combustion 40 ou autre. Par exemple, la température et la pression dans la chambre de combustion 40 peuvent dépasser environ 760° Celsius (1400° Fahrenheit) et environ 5200 kilopascals (environ 750 psi) mesurés au manomètre, ou davantage. Le système 100 de sonde optique pour système de combustion peut en outre comporter un certain nombre d'organes externes 150 disposés à l'extérieur de la chambre de combustion 40. Les organes externes 150 peuvent comprendre un module photodétecteur 160. Le module photodétecteur 160 contient des organes optiques servant à réaliser une séparation spectrale de la lumière recueillie arrivant des sondes optiques 110 pour système de combustion. Le module photodétecteur 160 produit des signaux proportionnels à l'intensité de la lumière. Le module photodétecteur 160 produit des signaux de sortie d'après les données reçues des sondes optiques 110 pour système de combustion afin de les fournir à un module de traitement 170 de signaux. Le module de traitement 170 de signaux analyse les signaux provenant du module de photodétection 160 pour fournir des informations sur la combustion.
D'une manière spécifique, le module de traitement 170 de signaux peut comprendre un certain nombre de tubes photomultiplicateurs 180 à boîtier métallique et autres. Comme les tubes photomultiplicateurs 180 ont un délai de réponse court, les tubes photomultiplicateurs 180 peuvent servir pour surveiller des variations temporelles dans la chambre de combustion 40. Le module de traitement 170 de signaux peut également comprendre un spectromètre 190 et autre afin d'intercepter le spectre optique d'émission. Ainsi, le processeur 170 de signaux traite à la fois la fréquence temporelle d'après les tubes photomultiplicateurs 180 et les domaines de fréquence optique par l'intermédiaire du spectromètre 190. Des filtres interférentiels peuvent également être utilisés. D'autres configurations et d'autres types d'organes peuvent être utilisés. La figure 5 illustre l'utilisation d'une des sondes optiques 110 pour système de combustion autour du système de combustion 25. D'une manière spécifique, un trou d'accès 200 peut être percé autour du cyclone 85 ou autour d'un autre emplacement en aval des orifices d'injection 70. Le tube de guidage 140 de la sonde optique 110 pour système de combustion peut être introduit dans le trou d'accès 200 et peut être soudé au cyclone 85 ou ailleurs. Lorsque le tube de guidage 140 est en acier inoxydable, on peut recourir au soudage TIG (soudage à l'arc en atmosphère inerte avec électrode de tungstène). D'autres moyens d'assemblage peuvent être utilisés. Les fibres optiques 120 portant le revêtement 130 peuvent ensuite être enfilées dans le tube de guidage 140 et fixées par brasage dans le 2969740 s trou d'accès 200. D'autres moyens d'assemblage peuvent également être utilisés. Les fibres optiques 120 peuvent être installées dans un champ de vision voulu 210. Chaque sonde optique 110 pour système de combustion peut ainsi surveiller la lumière générée dans son 5 champ de vision 210 par la flamme de combustion 90 ou d'autres types de dynamiques de combustion. Comme représenté sur la figure 6, le système de sonde optique 100 pour système de combustion peut utiliser n'importe quel nombre des sondes optiques 110 pour système de combustion 10 disposées autour de la chambre de combustion 40. Ainsi, l'utilisation d'un certain nombre des sondes optiques 110 pour système de combustion donne la possibilité de distinguer dans l'espace, parmi différents emplacements, l'emplacement de phénomènes de combustion. Autrement dit, l'emplacement et les 15 caractéristiques de la flamme de combustion 90 dans la chambre de combustion 40 peuvent être déterminés avec précision. De plus, l'utilisation des organes externes 150 donne la possibilité de déterminer à distance la nature des phénomènes de combustion. En service, les sondes optiques 110 du système optique 100 20 peuvent servir à déterminer un phénomène de combustion en observant la "chimioluminescence" de la flamme de combustion 90 dans une zone concernée localisée. Globalement, la chimioluminescence est le rayonnement optique produit par des réactions de combustion. Les réactions de combustion produisent 25 des molécules à état énergétique élevé. Les molécules excitées peuvent passer en partie à des états énergétiques plus bas en émettant de la lumière. L'intensité de l'émission peut être en partie proportionnelle à la vitesse de production de substances chimiques lors d'une réaction spécifique. Ainsi, la chimioluminescence peut 30 mesurer des vitesses de réaction et des vitesses de dégagement de chaleur pour des informations sur la puissance instantanée du processus de combustion dans un champ de vision spécifique. D'une manière spécifique, des signaux indiquant la flamme de combustion 90 dans le champ de vision 210 de chaque sonde 110 peuvent être recueillis par les fibres optiques 120 et guidés jusqu'au module de photodétection 160. Le module de photodétection 160 produit des signaux proportionnels à l'intensité de la lumière. Les signaux peuvent ensuite être analysés dans le processeur 170 de signaux, à la fois du point de vue du temps et d'après la longueur d'onde. Le spectromètre 190 du processeur 170 de signaux peut être conçu pour détecter un rayonnement spectral indiquant une émission chimique produisant un effet sur la stabilité de la combustion. En outre, un rayonnement spectral indiquant la présence de contaminants ou d'impuretés dans le combustible peut également être détecté. Les tubes photomultiplicateurs 180 du processeur 170 de signaux peuvent mesurer des fluctuations temporelles. D'autres types de traitement de signaux peuvent être utilisés. Les signaux fournis par le module de photodétection 160 peuvent être filtrés pour prendre en compte les émissions du fond réfléchissant provoquées par la géométrie du système de combustion. Une distinction entre les niveaux de signaux et les signaux de fond permet de déterminer avec plus de précision les phénomènes de combustion dans les zones concernées. Le système 100 de sonde optique est ainsi apte à détecter des phénomènes de combustion tels qu'une propagation excessive de flamme, une rétention de flamme et autres avec des constantes de temps inférieures à environ 500 microsecondes. Un délai de réaction aussi rapide permet globalement à un opérateur ou un système de commande de prendre une mesure correctrice. Ainsi, une commande active à contre-réaction peut être réalisée ici. Un système de commande à contre-réaction 220 peut communiquer avec les organes extérieurs 150 et les organes de commande du compresseur 25 et/ou du moteur 10 à turbine à gaz en général. Outre le délai de réaction très court, l'utilisation du système 100 de sonde optique pour système de combustion selon l'invention empêche activement des phénomènes de combustion indésirables, si bien que les marges globales de fonctionnement peuvent être réduites. La réduction des marges globales de fonctionnement peut permettre un fonctionnement avec un mélange plus pauvre et donc un plus grand rendement avec moins d'émissions. Le fait de réduire les marges de fonctionnement peut également conduire à des géométries plus compactes dont le poids global peut être allégé. De plus, les phénomènes de combustion indésirables peuvent désormais être enregistrés et consignés de manière à permettre une amélioration des possibilités de prédiction de la durée de vie du produit et des besoins de maintenance.
Liste des repères 10 Moteur à turbine à gaz 15 Compresseur basse pression 20 Compresseur haute pression 25 Système de combustion 30 Turbine haute pression 35 Turbine basse pression 40 Chambre de combustion 45 Ensemble de dôme annulaire 50 Ensembles de mélange 55 Mélangeur pilote 60 Mélangeur principal 65 Rampe de distribution de combustible 70 Orifices d'injection 75 Boîtier principal 80 Cavité de mélangeur 85 Cyclone 90 Flamme de combustion 100 Système de sonde optique de combustion 110 Sondes optiques pour système de combustion 120 Fibres optiques 125 Faisceau 130 Revêtement 140 Tube de guidage 150 Organes externes 160 Module de photodétection 170 Module de traitement de signaux 180 Tubes photomultiplicateurs 190 Spectromètre 200 Trou d'accès 210 Champ de vision 220 Système de commande
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Système (100) de sonde optique destiné à servir avec une flamme de combustion (90) dans une chambre de combustion (40), comportant : une pluralité de sondes optiques (110) assujetties autour de la chambre de combustion (40) ; la pluralité de sondes optiques (110) étant disposées de façon à intercepter la lumière produite par la flamme de combustion (90) dans un champ de vision (210) de chacune des différentes sondes optiques (110) ; et un ou plusieurs organes (150) à l'extérieur de la chambre de combustion (40) pour produire et analyser des signaux indiquant la lumière produite par la flamme de combustion (90) dans le champ de vision (210) de chacune des différentes sondes optiques (110).
- 2. Système (100) de sonde optique selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de sondes optiques (110) comprend une pluralité de fibres optiques (120) avec revêtement (130).
- 3. Système (100) de sonde optique selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de sondes optiques (110) comprennent un faisceau (125) de fibres optiques (120).
- 4. Système (100) de sonde optique selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de sondes optiques (110) comprennent une pluralité de fibres optiques (120) disposées dans un tube de guidage (140) en acier inoxydable.
- 5. Système (100) de sonde optique selon la revendication 1, dans lequel le ou les organes (150) à l'extérieur de la chambre de combustion (40) comprennent un module de photodétection (160) destiné à produire les signaux indiquant la lumière produite par la flamme de combustion (90) dans le champ de vision (210) de chacune des différentes sondes optiques (110).
- 6. Système (100) de sonde optique selon la revendication 1, dans lequel le ou les organes (150) à l'extérieur de la chambre de combustion (40) comprennent un module de traitement (170) de signaux servant à analyser les signaux indiquant la lumière produite par la flamme de combustion (90) dans le champ de vision (210) de chacune des différentes sondes optiques (110).
- 7. Système (100) de sonde optique selon la revendication 6, dans lequel le module de traitement (170) de signaux comprend une pluralité de tubes photomultiplicateurs (180).
- 8. Système (100) de sonde optique selon la revendication 6, dans lequel le module de traitement (170) de signaux comprend un spectromètre (190).
- 9. Système (100) de sonde optique selon la revendication 1, dans lequel le ou les organes (150) à l'extérieur de la chambre de combustion (50) communiquent avec un système de commande à contre-réaction (220) et dans lequel le système de commande à contre-réaction (220) est associé à la chambre de combustion (40).
- 10. Procédé de contrôle d'une flamme de combustion (90) dans une chambre de combustion (40), comportant : la mise en place d'une pluralité de sondes optiques (110) autour de la chambre de combustion (40) ; la production d'une pluralité de signaux représentatifs de la flamme de combustion (90) dans un champ de vision (210) de chacune des différentes sondes optiques (110) ; et l'analyse de la pluralité de signaux afin de déterminer un emplacement de la flamme de combustion (90) dans la chambre de combustion (40).
- 11. Procédé de contrôle d'une flamme de combustion (90) selon la revendication 10, dans lequel l'étape d'analyse comprend une analyse de la flamme de combustion (90) dans le temps.
- 12. Procédé de contrôle d'une flamme de combustion (90) selon la revendication 10, dans lequel l'étape d'analyse comprend l'analyse de la flamme de combustion (90) d'après la longueur d'onde.
- 13. Procédé de contrôle d'une flamme de combustion (90) selon la revendication 10, dans lequel l'étape de production et l'étape d'analyse sont effectuées à l'extérieur de la chambre de combustion (40).
- 14. Procédé de contrôle d'une flamme de combustion (90) selon la revendication 10, comprenant en outre une étape de communication avec un système de commande à contre-réaction (220) associé à la chambre de combustion (40).
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