B 12-0005FR 1 Injecteur de combustible pour turbine La présente invention concerne les turbines et, plus particulièrement, les injecteurs de combustible pour turbines à gaz. Dans une turbine à gaz, un dispositif de combustion convertit en énergie thermique l'énergie chimique d'un combustible ou d'un mélange d'air et de combustible. L'énergie chimique est transportée par un fluide, souvent de l'air comprimé issu d'un compresseur, jusqu'à une turbine où l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique. Le combustible et/ou l'air sont dirigés jusque dans le dispositif de combustion via un ou plusieurs injecteurs de combustible. Selon un aspect, l'injecteur de combustible est un ensemble qui comporte une pluralité de pièces en matières différentes. Une différence de température entre le flux de combustible et d'air dans l'injecteur de combustible peut provoquer une dilatation thermique et un déplacement correspondant des pièces de l'injecteur, ce qui induit une usure et un arrachement de matière sur les pièces et aux jonctions entre les pièces. Réduire les contraintes provoquées par le déplacement de pièces d'injecteurs de combustible les uns par rapport aux autres améliorera la durée de vie et la fiabilité de l'injecteur de combustible et de la turbine.
Selon un premier aspect de l'invention, un injecteur de combustible pour turbine comporte un conduit intérieur et un flasque monté sur le conduit intérieur formant de ce fait une chambre pour l'écoulement d'un combustible gazeux. De plus, le flasque comprend une membrane montée sur le conduit intérieur, la membrane étant conçue pour fléchir en réponse au déplacement relatif entre le conduit intérieur et le flasque. Selon un autre aspect de l'invention, un procédé pour faire circuler un combustible dans une turbine comporte l'acheminement d'air dans un conduit intérieur et l'acheminement d'un combustible jusque dans une cavité entre le conduit intérieur et un flasque, le conduit intérieur et le flasque étant réunis par un raccord. Le procédé comporte en outre le fléchissement d'une membrane dans le flasque afin de compenser un déplacement du conduit intérieur, le fléchissement de la membrane réduisant les contraintes s'exerçant sur le raccord entre le conduit intérieur et le flasque. L'invention sera mieux comprise à l'étude 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 représentation schématique d'une forme de réalisation d'un moteur à turbine à gaz comportant un dispositif de combustion, un injecteur de combustible, un compresseur et une turbine ; - la figure 2 est une vue latérale en coupe d'une forme de réalisation d'un injecteur de combustible ; et - la figure 3 est une vue latérale en coupe d'une autre forme de réalisation d'un injecteur de combustible. La figure 1 est une représentation schématique d'une forme de réalisation d'un système 100 de turbine à gaz. Le système 100 comporte un compresseur 102, un dispositif de combustion 104, une turbine 106, un arbre 108 et un injecteur 110 de combustible. Dans une forme de réalisation, le système 100 peut comporter une pluralité de compresseurs 102, de dispositifs de combustion 104, de turbines 106, d'arbres 108 et d'injecteurs 110 de combustible. Le compresseur 102 et la turbine 106 sont accouplés par l'arbre 108.
L'arbre 108 peut être un arbre d'un seul tenant ou une pluralité de segments d'arbre réunis les uns aux autres afin de former l'arbre 108. Le dispositif de combustion 104 peut utiliser un combustible liquide et/ou gazeux tel que du gaz naturel ou un gaz de synthèse riche en hydrogène, pour faire fonctionner le moteur. Par exemple, les injecteurs 110 de combustible sont en communication fluidique avec une source d'air et une source 112 de combustible. Les injecteurs 110 de combustible créent un mélange d'air et de combustible et refoulent le mélange d'air et de combustible dans le dispositif de combustion 104, en provoquant de ce fait une combustion qui crée des gaz d'échappement sous pression chauds. Le dispositif de combustion 104 achemine les gaz d'échappement sous pression chauds via une pièce de transition jusqu'à un injecteur pour turbine (ou "injecteur de premier étage"), faisant tourner la turbine 106. La rotation de la turbine 106 fait tourner l'arbre 108, ce qui comprime l'air à son entrée dans le compresseur 102. Dans une forme de réalisation, chacun des injecteurs 110 de combustible comprend une membrane conçue pour permettre un déplacement des pièces des injecteurs 110 de combustible les unes par rapport aux autres. Les pièces de l'injecteur 110 de combustible sont susceptibles de bouger les unes par rapport aux autres en raison de différentiels thermiques et de différence de taux de dilatation de la matière des pièces des injecteurs 110 de combustible. Des exemples de formes de réalisation des injecteurs 110 de combustible sont expliqués en détail ci-après en référence aux figures 2 et 3. La figure 2 est une vue latérale en coupe d'une forme de réalisation d'un injecteur 200 de combustible destiné à servir dans le système 100 de turbine à gaz (figure 1). L'injecteur 200 de combustible comporte un flasque ou évasement 202, un conduit intérieur 204, une buse à tourbillonnements 206 et une enveloppe 208, tous disposés autour de l'axe 210 d'injecteur. Un raccord 212 réunit le flasque 202 au conduit intérieur 204 (également appelé "tube intérieur"), le raccord 212 constituant un assemblage conçu pour résister aux fortes températures, aux flexions et aux déplacements des pièces de l'injecteur 200 de combustible les unes par rapport aux autres. Comme illustré, le flasque 202 comprend un élément à membrane ou membrane 214 conçu pour fléchir ou se déformer afin de compenser les déplacements des pièces de la turbine les unes par rapport aux autres, notamment le flasque 202 et le conduit intérieur 204. Dans une forme de réalisation, la membrane 214 est une paroi radiale à la base du flasque 202, l'épaisseur 216 de la membrane 214 étant conçue pour permettre à la membrane 214 de fléchir, ce qui compense le déplacement du flasque 202 par rapport au conduit intérieur 204. Le flasque 202 comprend un passage 218 pour un flux de combustible 220 entrant dans une chambre 221. Dans une forme de réalisation, le conduit intérieur 204 reçoit un flux d'air 222 suivant l'axe 210 à l'intérieur de l'injecteur 200 de combustible. L'air et le combustible se mélangent dans la buse à tourbillonnements 206, qui est montée sur le flasque 202 au niveau du raccord 224. La buse à tourbillonnements 206 reçoit du compresseur 102 (figure 1) un flux d'air comprimé 226 destiné à se mélanger au flux de combustible 220 en vue d'une combustion dans le dispositif de combustion 104 (figure 1). La membrane 214 est constituée d'une matière résistante conçue pour supporter la chaleur et la pression du flux de fluide chaud et sous pression dans l'injecteur 200 de combustible. On peut citer comme exemples de matières des matériaux composites et des alliages métalliques ou de l'acier tel que l'acier inoxydable. Par ailleurs, la matière de la membrane 214 est conçue pour se déformer par élasticité en réponse à la dilatation des pièces de l'injecteur 200 de combustible, par exemple le conduit intérieur 204 et le flasque 202. Le flasque ou évasement est constitué de n'importe quelle matière résistante appropriée à longue durée de vie, dont une matière métallique, un matériau composite ou un acier allié. Dans un exemple de forme de réalisation, le flasque 202 et la membrane 214 font corps l'un avec l'autre et sont constitués de la même matière, par exemple de l'acier inoxydable. Dans d'autres formes de réalisation, le flasque 202 et la membrane 214 sont des pièces séparées qui peuvent être ou ne pas être constituées de la même matière. Dans une forme de réalisation, la température du flux de combustible 220 est d'environ 20 degrés Celsius à son entrée dans la chambre 221 et le flux d'air comprimé 226 est à environ 430 degrés Celsius, le flux de combustible relativement froid 220 provoquant une contraction ou un resserrement du conduit intérieur 204 par rapport au flasque 202 chauffé par le flux d'air comprimé 226. Ainsi, la contraction, la dilatation et/ou le déplacement global axiaux du conduit intérieur 204 par rapport au flasque 202 est compensé par la flexion ou la déformation élastique de la membrane 214. La déformation élastique de la membrane 214 est réversible. La dilatation due à des différentiels thermiques ou des différences de matières entre pièces, par exemple le conduit intérieur 204 et le flasque 202, crée des forces provoquant la déformation élastique de la membrane 214. Une fois que les forces ne sont plus appliquées, notamment lorsque le moteur à turbine est refroidi et n'est pas en marche, la membrane 214 retrouve sa forme d'origine. Toujours en référence à la figure 2, la membrane 214 est constituée par un acier inoxydable conçu pour résister aux flexions, aux pressions et aux températures à l'intérieur de l'injecteur 200 de combustible. De plus, l'épaisseur 216 de la membrane 214 est d'environ une à cinq fois l'épaisseur 228 du conduit intérieur 204. Par exemple, l'épaisseur 216 est d'environ deux à trois fois l'épaisseur 228. Dans un autre exemple, l'épaisseur 216 est d'environ une à trois fois l'épaisseur 228 du conduit intérieur. La matière, l'épaisseur 216, la géométrie et d'autres facteurs de conception sont conçus de manière à provoquer une flexion pour compenser les déplacements des pièces de turbine les unes par rapport aux autres, ce qui réduit les contraintes et l'usure au niveau des raccords 212 et 224. Dans une forme de réalisation, la matière de la membrane 214 est un acier inoxydable à coefficient de dilatation thermique d'environ 9,8 x 10-6 pouces par pouce-degrés Fahrenheit (dilatation volumétrique par unité de changement de température). Par ailleurs, l'acier inoxydable résiste à la corrosion et coïncide avec la matière servant à former la buse à tourbillonnements 206, ce qui réduit la déformation d'origine thermique affectant l'ensemble du flasque 202 jusqu'au raccord 224. Dans une forme de réalisation, les raccords 212 et 224 sont constitués par tout moyen d'assemblage approprié tel que des soudures, des brasures ou des collages. Comme illustré, la compensation survient sans le recours à d'autres mécanismes, ce qui simplifie donc la fabrication et réduit les coûts tout en améliorant la fiabilité. La figure 3 est une vue latérale en coupe d'une autre forme de réalisation d'un injecteur 300 de combustible. L'injecteur 300 de combustible comporte un flasque 302, un conduit intérieur 304, une buse à tourbillonnements 306 et une enveloppe 308, tous disposés autour de l'axe 310 de l'injecteur. Un raccord 312 réunit le flasque 302 au conduit intérieur 304, le raccord 312 étant constitué par un accouplement conçu pour résister aux déplacements des pièces de l'injecteur 300 de combustible les unes par rapport aux autres. De plus, le flasque 302 comprend une membrane 314 conçue pour fléchir ou se déformer afin de compenser le déplacement des pièces de la turbine les unes par rapport aux autres, notamment le flasque 302 et le conduit intérieur 304. Dans une forme de réalisation, la membrane 314 est une paroi radiale à la base du flasque 302, l'épaisseur 316 de la paroi étant conçue pour permettre un fléchissement de la membrane 314, compensant ainsi le déplacement du flasque 302 par rapport au conduit intérieur 304. Le flasque 302 comprend un passage 318 pour un flux 320 de combustible entrant dans une chambre 321. De plus, le conduit intérieur 304 reçoit un flux d'air 322 suivant l'axe 310 dans l'injecteur 300 de combustible. L'air et le combustible se mélangent dans la buse à tourbillonnements 306, laquelle est réunie au flasque 302 au niveau du raccord 324. La buse à tourbillonnements 306 reçoit le flux d'air comprimé 326 destiné à se mélanger au flux de combustible 320 en vue d'une combustion à l'intérieur du dispositif de combustion 104 (figure 1). L'injecteur 300 de combustible comporte également un soufflet 328 conçu pour permettre un déplacement du conduit intérieur 304 et du flasque 302 l'un par rapport à l'autre. Le soufflet 328 est un mécanisme ou organe d'étanchéité approprié qui permet un déplacement axial et/ou latéral de pièces adjacentes d'une turbine. Par exemple, une extrémité du soufflet 328 est réunie au flasque 302 tandis qu'une extrémité opposée du soufflet 328 est réunie au conduit intérieur 304. Dans une forme de réalisation, on peut décrire le soufflet 328 comme faisant partie du conduit intérieur 304. De plus, les raccords 312 et 324 sont constitués par n'importe quel moyen d'assemblage tel que des soudures, des brasures ou des collages.
Le soufflet 328 et la membrane 314 sont conçus chacun de manière à permettre la dilatation et le déplacement du conduit intérieur 304 par rapport au flasque 302, provoqués par les différences des propriétés des matières des pièces, comme le coefficient de dilatation thermique ou n'importe quelle caractéristique affectant la rigidité, la raideur, la forme et/ou le volume en réponse à une énergie telle qu'un changement de température ou de pression. Par exemple, le flux de combustible 320 est plus froid d'environ 350 à environ 450 degrés Celsius que le flux d'air comprimé 326, ce qui provoque donc une dilatation axiale du flasque 302 par rapport au conduit intérieur 304. La membrane 314 a une épaisseur 316 de paroi selon une relation choisie avec l'épaisseur 330 du conduit intérieur 304. Dans un exemple de forme de réalisation, l'épaisseur 316 est d'environ une à cinq fois l'épaisseur 330. Une autre forme de réalisation de membrane 314 a une épaisseur 316 d'environ une à trois fois l'épaisseur 330. Encore une autre forme de réalisation de la membrane 314 a une épaisseur 316 environ deux à trois fois plus importante que l'épaisseur 330. De la sorte, la membrane 314 et le soufflet 328 sont conçus pour se déformer ou pour fléchir par élasticité afin de réduire l'usure et d'améliorer la fiabilité de l'injecteur 300 de combustible. L'injecteur 300 de combustible, comprenant la membrane 314 et le soufflet 328, est conçu pour compenser le déplacement des pièces de la turbine au fil du temps, ce qui réduit les contraintes s'exerçant sur l'injecteur 300 de combustible.
Liste des repères 100 Système de turbine 102 Compresseur 104 Dispositif de combustion 106 Turbine 108 Arbre 110 Injecteur 112 Source de combustible 200 Injecteur de combustible 202 Flasque ou évasement 204 Conduit intérieur 206 Buse à tourbillonnements 208 Enveloppe 210 Axe 212 Raccord 214 Elément à membrane ou membrane 216 Epaisseur 218 Passage 220 Flux de combustible 221 Chambre 222 Flux d'air 224 Raccord 226 Flux d'air comprimé 228 Epaisseur 300 Injecteur de combustible 302 Flasque ou évasement 304 Conduit intérieur 306 Buse à tourbillonnements 308 Enveloppe 310 Axe 312 Raccord 314 Elément à membrane ou membrane 316 Epaisseur 318 Passage 320 Flux de combustible 321 Chambre 322 Flux d'air 324 Raccord 326 Flux d'air comprimé 328 Soufflet 330 Epaisseur