Brevet FR2121779A1 — publié le 19720825

' 2121779 Les chambres de combustion de turbines à gaz doivent pouvoir résister à des températures élevées pendant de longues périodes de temps. Un progrès important a été réalisé lors de la mise en application des chambres de combustion du type à enveloppes en gradins ayant des éléments d'écarte-5 ment ondulés disposés entre deux enveloppes voisines (brevet US. 2 610 H6T). Dans cet agencement, l'air de refroidissement venant de la chambre de soufflage est chassé à travers les espaces axiaux constitués par les éléments ondulés pour réaliser une circulation d'air relativement froid destinée à isoler la face intérieure de la paroi de la chambre de combustion des gaz chauds. 10 Naturellement, plus la température des parois de la chambre de combustion est élevée pendant le fonctionnement normal, plus elles sont soumises aux déformations et aux sollicitations thermiques. Il s'ensuit qu'il est nécessaire de prévoir des programmes constants d'entretien suivant lesquels les chambres de combustion doivent être périodiquement examinées pour s'assurer de leur sé-15 curité de fonctionnement. Pour améliorer leur rendement, il est souhaitable de faire fonctionner les centrales à des températures les plus élevées possible. De plus, à cause de leur prix peu élevé, il est avantageux de brûler des résidus, lesquels ont une teneur élevée en polluants. Cependant, les résidus rayonnent sensiblement plus de chaleur aux parois de la chambre de. combustion, ce 20 qui fait que la durée de vie de cette dernière, de même que sa sécurité de service, est fortement réduite. Une solution destinée à permettre aux chambres de combustion de fonctionner à des températures plus élevées, consiste à réaliser celles-ci en matériau réfractaire ou céramique. Mais, comme c'est lë cas actuellement, les vitesses 25 élevées et les pulsations violentes qui se manifestent dans les chambres de combustion ont empêché l'utilisation des matériaux réfractaires pour leur construction dans les applications commerciales. Une autre solution consiste à faire circuler une plus grande quantité d'air de refroidissement sur les parois de la chambre de combustion. Cependant, cette 30 façon de faire fait diminuer le rendement global de la turbine•et affecte désavant ageusement le mode de répartition de la température des gaz lorsqu'ils sont amenés aux aubes de la turbine du fait qu'il existe une forte différence de température entre le bout des aubes où se trouve l'air de refroidissement et le centre de celles-ci, ce qui se traduit par des contraintes et des sollicitations 35 thermiques importantes. Le but principal de la présente invention est de réaliser une chambre de combustion simple, capable de fonctionner à des températures élevées pendant de longues périodes de temps. A cet effet, la présente invention consiste en une chambre de combustion UO constituée de sections à paroi tubulaire lisse formant ensemble line chambre 72 00919 2 2121779 conique ayant un moyen d'injection du combustible disposé à son extrémité de petit diamètre, l'extrémité de grand diamètre étant ouverte pour l'évacuation des gaz de combustion hors de la chambre, les dites sections à paroi tubulaire lisse étant reliées entr'elles et écartées radialement les unes des autres par 5 des sections de paroi tubulaire ondulée, caractérisée en ce qu'au moins certaines des sections de paroi tubulaire lisse et de paroi tubulaire ondulée s'étendent au moins jusqu'au bout des extrémités axiales des sections adjacentes correspondantes , les extrémités des sections de paroi tubulaire ondulée se situant à peu près à mi-distance entre les extrémités axiales des sections de paroi tu-10 bulaire lisse de manière à former une structure à double paroi possédant entre les sections de paroi ondulée tubulaire et les sections de paroi tubulaire lisse des canaux d'entrée dirigés parallèlement à l'axe de la chambre de combustion pour amener de l'air dans la dite chambre de combustion tout en créant un fort courant d'air de refroidissement le long de la face extérieure de la paroi 15 intérieure de la chambre de combustion et une barrière à la chaleur le long de la face intérieure de la paroi intérieure de la chambre de combustion. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre d'une réalisation préférée, donnée à titre d'exemple, et représentée aux dessins annexés. 20 Sur ces dessins: - La figure 1 est une coupe d'une partie de la moitié supérieure d'une centrale à turbine à gaz pourvue d'une chambre de combustion réalisée suivant l'invention. - La figure 2 est une coupe à grande échelle de la chambre de combustion re-25 présentée à la figure 1. - La figure 3 est une coupe pratiquée le long de la ligne III-III de la figure 2 et - La figure k est une vue en perspective d'une portion de la chambre de combustion représentée à la figure 2. 30 Sur les dessins, et plus particulièrement à la figure 1, on a représenté une partie d'une centrale à turbine à gaz 10 ayant une chambre de combustion 11. La centrale 10 comprend un compresseur d'air 12 à écoulement axial pour l'amenée de l'air à la chambre de combustion 11 et une turbine à gaz 1H raccordée à cette dernière et recevant de celle-ci les produits chauds de combustion pour 35 alimenter la centrale. Le compresseur d'air 12 comprend un rotor 15 à plusieurs étages d'aubes associé à un stator 16 ayant un nombre égal d'étages d'aubes fixes, pour comprimer l'air qui le traverse à une pression convenable pour la combustion dans la chambre 11. L'air venant du compresseur 12 est amené dans une chambre de souf-Uo flage 18, partiellement délimitée par une enveloppe 19, à l'aide d'un diffuseur BAD ORIGINAL ^ —- J 72 00919 3 2121779 annulaire 17- L'enveloppe 19> qui est cylindrique et concentrique à l'axe de rotation RR' de la centrale 10, est prolongée par une paroi frontale 21 en forme de dôme, raccordée à l'enveloppe extérieure du compresseur d'air 12, et par une paroi arrière 22 raccordée à l'enveloppe extérieure de la turbine 1H. 5 La turbine 1U comprend plusieurs étages de détente formés de plusieurs ran gées d'aubes fixes 2h associées à autant de rangées d'aubes rotatives 25 montées sur le rotor 26. Le rotor 26 est couplé mécaniquement au rotor 15 du compresseur par un arbre tubulaire 27. L'arbre tubulaire 27 est entouré d'un élément tubulaire de profilage 28 présentant à la sortie du diffuseur 17 une surface lisse 10 pour l'écoulement de l'air pénétrant dans la chambre 18. Un certain nombre de chambres de combustion tubulaires 11 du type à enveloppes en gradins sont disposées à l'intérieur de l'enveloppe 19» Ces chambres de combustion 11 sont placées à égale distance l'une de l'autre en forment une rangée circonférentielle concentrique à l'axe RR' de la centrale 10. 15 Du fait que les chambres de combustion 11 sont pratiquement identiques, une seule d'entr'elles sera décrite. Comme indiqué à la figure 1, chaque chambre de combustion 11 est constituée de trois sections: une section primaire a-mont 32, une section intermédiaire secondaire 33, et une section aval de transition 3^. 20 La paroi frontale 21 de la chambre de combustion 11 est percée d'une ouver ture centrale 36 à travers laquelle s'enfonce un injecteur de combustible 37-L'injecteur de combustible 37 est alimenté par une conduite 38 raccordée à une source de combustible convenable (non représentée) et il peut être du type à pulvérisation agencé de manière à lancer un jet conique de combustible à l'inté-25 rieur de la section primaire 32 de la chambre 11. Un allumeur électrique 39 est prévu pour enflammer le mélange de combustible et d'air dans la chambre 11. Dans la section primaire 32 de la chambre de combustion 11 , on trouve une série de portions k2 de section transversale circulaire et qui, dans l'exemple montré, sont cylindriques. La section 32 est réalisée suivant une construction 30 en gradins, chacune des portions U2 ayant un diamètre plus grand que celui de la précédente, d'amont en aval, pour permettre leur montage télescopique. Certaines des portions k2 possèdent une rangée circonférentielle d'ouvertures liU pour admettre l'air venant de la chambre 18 dans la section primaire 33 de la chambre pour entretenir la combustion du combustible injecté dans celle-35 ci par l'injecteur 37. La chambre de combustion comprend en outre une section intermédiaire 33 qui est pourvue d'une série de rangées circonférentielles d'ouvertures U6 destinées à permettre l'admission d'air venant de la chambre 18 dans la chambre de combustion 11 pendant le fonctionnement pour refrçidir les gaz chauds et les rendre compatibles avec les aubes de turbine 2h et 25» La sec-40 tion de transition 31*, munie d'une partie frontale ^8 de forme cylindrique, est 72 00919 k 2121779 disposée de manière à entourer et à recouvrir légèrement la section intermédiaire 33 à l'aide d'un dispositif élastique UT (figure 2). La section de transition 3^ est également pourvue d'une section tubulaire arrière ^9 dont la forme de la section transversale change progressivement en partant d'une section 5 transversale circulaire au point de jonction avec la section cylindrique ^3 pour arriver à une section courbe à son extrémité de sortie 50- L'étendue de la section courbe de l'extrémité de sortie 50 est telle que, lorsqu'elles sont mises cote à côte, les extrémités de sortie 50 de toutes les chambres à combustion 11, forment une couronne complète pour l'admission des produits chauds de 10 combustion venant des différentes chambres à combustion destinés aux aubes 2h et 25 de la turbine 1H, ce qui fait qu'une admission de gaz moteurs à la turbine 1b est obtenue suivant une circonférence complète. Suivant la présente invention, les sections d'enveloppe b2 de la chambre de combustion 11 sont essentiellement constituées de, par exemple, 5 portions 15 52 à double paroi. Le diamètre de chacune des portions 52 est plus grand que celui de la précédente, en partant de l'extrémité amont vers l'extrémité aval de la chambre par rapport à 1'écoulement d'air. Comme indiqué aux dessins, la construction à double parois des sections d'enveloppe b2 est limitée à la section primaire bien qu'elle ne soit pas nécessairement limitée à cette partie. 20 D'autre part, les portions 52 à double paroi sont telles qu'elles sont constituées alternativement d1éléments de parois lisses 5^ et ondulées 56, qui se recouvrent approximativement jusqu'au milieu de chaque élément respectif. Les sections à double paroi qui en résultent forment la section primaire de la chambre de combustion 11. 25 Comme on peut mieux le voir aux figures 2 et U, chaque section à double paroi 52 est constituée d'un élément de paroi lisse 5^ avec un élément de paroi ondulé 56. L'élément de paroi lisse 5^ représenté est un élément cylindrique allongé (figures 2 et 3) et chaque élément ondulé 56 se présente sous la forme d'une bague ondulée constituée d'éléments 57 en forme de trapèzes (figure 3). 30 Considérant l'une des premières sections b2 à enveloppe en gradins côté amont, la section 52 à double paroi est constituée d'un élément de paroi lisse 5^ disposé dans l'axe de la chambre, qui forme la paroi intérieure de la section 52 et d'un élément de paroi ondulé télescopique de plus grand diamètre qui recouvre approximativement une moitié de l'élément de paroi lisse 5U. Approxi-35 mativement une moitié de l'élément de paroi ondulé 56 recouvre l'élément de paroi lisse 5k de plus petit diamètre et l'autre moitié de l'élément ondulé 56 s' étend dans une direction axiale du côté aval. Par conséquent, la section à double paroi de l'enveloppe en gradins b2a est constituée d'une paroi intérieure formée d'un élément de paroi lisse 5^ et d'une paroi extérieure formée d'un é-itO lément ondulé 56. 72 00919 5 2121779 Une seconde section voisine U2b d'enveloppe en gradins possède un diamètre plus grand que celui de la section k2a. La paroi intérieure est constituée de la moitié de l'élément ondulé 56 qui s'étend au-delà de la section ^2a dans une direction axiale. Un second élément de paroi lisse 5^ de diamètre plus grand re-5 couvre la dite partie de l'élément ondulé 56. Le second élément de paroi lisse 5k de plus grand diamètre recouvre approximativement une moitié de l'élément ondulé 56 et approximativement une moitié de l'élément lisse 5k s'étend dans une direction axiale vers l'aval. Par conséquent, la seconde section à double paroi 52 est constituée d'une paroi intérieure formée par un élément ondulé 56 et d' 10 une paroi extérieure constituée d'un élément lisse 5^ pour réaliser ensemble la seconde section d'enveloppe en gradins U2b, L'extrémité voisine 61 côté aval du premier élément ondulé 56 et l'extrémité voisine 62 côté amont du second élément ondulé 56 sont alignées dans une direction radiale par rapport à l'axe central de la chambre de combustion 11 et ne 15 se recouvrent pas dans le cas de la réalisation préférée. De plus, l'extrémité voisine 63 côté aval du premier élément lisse 5k et l'extrémité voisine 6k côté amont du second élément lisse 56 sont également alignées radialement à leurs extrémités et ne se recouvrent pas. Les sections k2 d'enveloppe suivantes, côté aval, de plus grand diamètre 20 sont similaires aux deux premières sections k2a. et H2b décrites ci-avant. Chaque section d'enveloppe est constituée d'un élément de paroi lisse 5^ alternant avec un élément de paroi ondulé 56, une partie de l'élément ondulé recouvrant approximativement la moitié de l'élément lisse de plus grand diamètre, et l'autre moitié s'étendant dans une direction axiale coté aval. Dans l'autre section, 1' 25 élément de paroi lisse de plus grand diamètre recouvre approximativement une moitié de l'élément ondulé voisin, côté amont, pour former ensemble une autre section 52 à doublé paroi. Dans les sections k2 qui suivent, les extrémités adjacentes des éléments lisses sont alignées radialement ainsi que les extrémités voisines des éléments ondulés. 30 Comme indiqué plus clairement aux figures 3 et kt les éléments en forme de trapèze 57 de l'élément ondulé 56 présentent des parties 66 repliées vers l'intérieur, qui viennent en contact avec l'élément de paroi lisse 5^> de plus petit diamètre, ainsi que des parties 67 dirigées vers l'extérieur, qui sont é-cartées du dit élément de paroi lisse 5k constituant la paroi intérieure. Dans 35 la seconde section' k2b (voir figure 2), les parties 67 dirigées vers l'extérieur viennent en contact avec l'élément extérieur ou élément de paroi lisse 5k tandis que les parties 66 dirigées vers l'intérieur sont écartées de celui-ci et forment la paroi intérieure de la section 52 à double paroi. Comme indiqué plus clairement à la figure k, les éléments de paroi ondulés ^0 56 sont fixés sur les éléments de paroi lisses 5^> de plus petit diamètre, par 72 00919 6 2121779 des moyens adéquats 69, de préférence à l'aide de points de soudure appliqués en plusieurs endroits de contact. Les éléments de paroi lisses de plus grand diamètre sont eux-mêmes fixés solidement par tout moyen convenable 70 et, de préférence, par des points de soudure appliqués en plusieurs endroits de con-5 tact sur l'élément ondulé 56 de plus petit diamètre le long des parties 67, lesquelles sont pratiquement plates pour recevoir une soudure par points plus rigide. Une seule rangée circonférentielle de points de soudure est'utilisée pour permettre la dilatation thermique dans une direction axiale des éléments 54 et 56. 10 Les parties 67 de l'élément ondulé 56 repliées vers l'extérieur forment, avec la section de paroi lisse 54 de la première section d'enveloppe 42a, des conduits 72 pour permettre à l'air de refroidissement figuré par la flèche E aux figures 2 et h, venant de la chambre 18 (figure 1) de pénétrer dans la chambre de combustion 11. 15 Considérant la seconde section d'enveloppe 42b, une deuxième série de con duits 7** sont formés conjointement par l'élément de paroi lisse 54 extérieur et les parties 66, dirigées vers l'intérieur, de l'élément ondulé 56. Ces conduits 74 permettent également à l'air de refroidissement, figuré par la flèche G, venant de la chambre 18 de pénétrer dans la chambre de combustion 11. 20 Comme décrit précédemment, des ouvertures 44 sont pratiquées dans la sec tion primaire 32 de la chambre de combustion 11. Comme indiqué plus clairement aux figures 2 et 4, les ouvertures 44 sont partiellement réalisées à la fois dans l'élément de paroi lisse 54 et dans l'élément de paroi ondulé 56. Dans la réalisation préférée, chaque ouverture 44 est complètement pratiquée dans l'élé-25 ment lisse 54 comme indiqué en 44a et partiellement dans l'élément ondulé 56 comme indiqué en 44b. En cours de fonctionnement, l'air est comprimé dans le compresseur 12 (figure 1) et dirigé dans la chambre 18, à l'intérieur de l'enveloppe 19> Une partie de l'air comprimé pénètre par les ouvertures 44 d'air primaire dans la 30 chambre de combustion 11 où il se mélange avec le combustible pour former un mélange qui est brûlé. Les gaz chauds de combustion passent alors vers la section intermédiaire 33 de la chambre de combustion 11 où l'air secondaire pénètre par les ouvertures d'entrée 46 pour refroidir les produits gazeux. Le gaz est ensuite dirigé à travers la section de transition 34 vers la sortie 50 pour faire 35 tourner le rotor 26 de la turbine, l'arbre 27 et le rotor 15 du compresseur. Pour refroidir les parois de la chambre de combustion, l'air venant de la chambre 18 (figure 1) s'engage dans les conduits 72 d'une première section 42a d'enveloppe en gradins à cause de la chute de pression entre la dite chambre 18 et la chambre de combustion. Au fur et à mesure que l'air pénètre à travers les 40 conduits 72, il refroidit l'élément lisse 54 de paroi intérieure lisse (ou la 72 00919 7 2121779 moitié côté aval) ainsi que l'élément ondulé 56 de paroi extérieure (ou la moitié côté amont) comme indiqué par la flèche E de la figure 2. L'air continue ensuite à s'écouler dans la deuxième section hZb où il refroidit l'élément ondulé 56 de paroi intérieure (ou la moitié coté aval), puis vers la section voi-5 sine côté aval pour fournir la couche isolante de réfrigération pour l'élément lisse 54 de paroi intérieure (ou la moitié côté aval). Une quantité d'air de refroidissement supplémentaire représentée par la flèche G (mieux représentée aux figures 2 et h) s'écoule dans les conduits 7^ de la seconde section U2b de manière à assurer le refroidissement des éléments 10 lisses de paroi 5^ et l'élément intérieur ondulé 56, ainsi que la face intérieure de l'élément lisse de paroi 5b côté aval. Ces moyens de refroidissement multiples sont semblables aux sections suivantes. Dans les turbines à gaz commerciales de grandes dimensions, des essais types ont démontré que les chambres à combustion ont une température moyenne d' 15 environ 870°C à la section primaire. Des essais de laboratoire ont démontré qu1 en utilisant des chambres de combustion a double paroi telles que décrites ici, et en faisant usage du même combustible, la température moyenne dans cette memè section primaire était d'environ 530°C dans les mêmes conditions d'essais. Cela signifie que, dans les conditions de fonctionnement réelles, la température des 20 nouvelles chambres à combustion est inférieure de 315°C par rapport aux chambres à combustion actuelles. On estime que cette diminution de la température de 315°C peut faire que la durée de vie normale de fonctionnement des chambres de combustion suivant l'invention peut être cinq fois plus longue que celle des chambres actuelles alors 25 que l'augmentation de leur coût de fabrication est pratiquement négligeable. Comme indiqué précédemment, il est plus économique de passer à des combustibles lourds (ceux qui contiennent des impuretés et qui ont une forte teneur en hydrocarbures) plutôt que de brûler des combustibles classiques doublement distillés. Toutefois, du fait que les combustibles résiduels lourds dégagent 30 sensiblement plus de chaleur que les combustibles doublement raffinés, les parois des chambres à combustion deviennent plus chaudes et la durée de vie de la chambre en est réduite proportionnellement. Par exemple, il n'est pas anormal que des sections de paroi de chambre de combustion atteignent 1 015°C. en brûlant des combustibles résiduels lourds. En utilisant des chambres de combustion 35 à double paroi, la température des parois peut être maintenue aux valeurs actuelles de fonctionnement et la vie de la chambre de combustion est égale à celle des chambres actuelles brûlant des combustibles légers. 72 00919 8 2121779 REVENDICATIONS■ 1. Chambre de combustion constituée de sections de paroi tubulaires lisses formant ensemble une chambre conique ayant un moyen pour injecter du combustible, disposé à son extrémité de petit diamètre, l'extrémité de grand diamètre 5 étant ouverte pour l'évacuation des gaz de combustion hors de la chambre, les dites sections de paroi tubulaires étant raccordées entr'elles et écartées les unes des autres par des sections tubulaires ondulées circonférentiellement, caractérisée en ce qu'au moins l'une des sections de paroi ondulées circonférentiellement s'étend axialement au moins vers les extrémités des sections voisi-10 nés correspondantes, les extrémités des sections tubulaires ondulées étant disposées environ à mi-chemin entre les extrémités axiales des sections tubulaires lisses de manière à former une structure à double paroi ayant, entre les sections de paroi ondulées et lisses des conduits d'entrée pour l'admission d'air dans la chambre à combustion et pour fournir un courant d'air rapide de refroi-15 dissement le long de la face extérieure de la paroi intérieure de la chambre à combustion ainsi qu'une barrière à la chaleur le long de la face intérieure de la paroi de la chambre de combustion. 2. Chambre de combustion suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les sections de paroi lisses et ondulées s'étendent axialement vers les sections 20 de paroi lisses et ondulées correspondantes voisines. 3. Chambre de combustion suivant la revendication 2, dans laquelle ses parois ont des ouvertures radiales d'entrée d'air de combustion se trouvant près de 1' extrémité étroite de la dite chambre de combustion, caractérisée en ce que les ouvertures radiales sont pratiquées axialement au milieu des sections de paroi 25 lisses et partiellement dans les parties d'extrémité des sections de paroi ondulées voisines. 4. Chambre de combustion suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les ondulations des sections de paroi ondulées sont de forme trapézoïdale.