Brevet FR2193142A1 — publié le 19740215

La présente invention se rapporte d'une façon générale à la réduction de la concentration en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement de turbines à gaz et elle a trait plus particulièrement à un dispositif d'injection d'eau coopérant avec un générateur de turbulence d'une buse d'injection de carburant pour réduire les températures de fonctionnement de la chambre de combustion en vue de diminuer le taux de formation des oxydes d'azote. Parmi les produits de combustion de carburants hydrocarburés, on peut citer les oxydes d'azote, notamment le bioxyde d'azote dont la toxicité sur les plantes et les animaux est bien connue. Du fait que les concentrations sont restées bien en dessous des niveaux de toxicité, les émissions d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement n'avaient pas posé de problème jusqu'à maintenant. Cependant on a étudié récemment le rôle de ces composés dans la formation de brouillard photochimique et on a prescrit un contrôle plus strict des ém issions d'oxydes d'azote dans les règlements concernant la pollution de l'environnement.A titre de comparaison, les taux de concentration sont de 500 à 1.000 ppm pour des moteurs à essence et diésel, dè 100 à 1.000 ppm pour les fumées de grandes chaudières à vapeur tandis que des turbines à gaz de grande capacité donnent des valeurs de 20 à 160 ppm mais la mesure est faite avec un plus grand excès d'air que pour les sources précédentes. L'azote est oxydé dans le système de combustion et, à la différence des suies et autres produits de combustion des carburants, une fois formés les oxydes d'azote restent dans cet état avant d'être déchargé dans l'atmosphère. Il se forme principalement de l'oxyde nitrique. La présence d'oxyde nitrique dans les gaz d'échappement produit par combustion de carburants hydrocarburés dans de l'air peut résulter de trois processus connus qu'on peut désigner par les expressions suivantes 1.- processus à air chaud, 2.- processus rapide, 3.- processus organique. L'acide nitrique produit par le processus à "air chaud" est engendré dans la zone la plus chaude, c'est-à-dire la zone de post-combustion, des gaz de combustion par des réactions qui sont extrêment sensibles à la température. Ce processus est normalement celui auquel on peut imputer le plus fort pourcentage de production d'oxyde nitrique. Un second processus qui peut produire jusqu'à un tiers des quantités formées par le processus à "air chaud" est le processus "rapide". A la différence de l'oxyde nitrique produit Far le processus à "air chaud" dans la zone de postcombustion contenant des produits de combustion, l'oxyde nitrique produit par le processus "rapide" est formé dans la zone de réaction de combustion ou zone de "flamme primaire". Cependant la formation d'oxyde nitrique par le processus "rapide" est également fonction de la température. L'oxyde nitrique formé par le processus "organique" est produit par de l'azote lié chimiquement aux molécules de carburant et il est strictement fonction du carburant. L'oxyde nitrique organique n'augmente que légèrement la concentration totale en oxyde nitrique de la plupart des carburants brûlés dans des turbines à gaz. En dehors de ces processus de réaction, on doit tenir compte de factaurs de déroulement de combustion, tels que la composition du carburant, la température des flammes, le temps de séjour, le rapport air/carburant et les dimensions et le profil du dispositif de combustion. Dans les réalisations connues, il existe des exemples d'injection de vapeur d'eau ou d'eau dans une chambre de combustion en vue d'augmenter la poussée ou bien de refroidir les produits de combustion. Pour cette raison, le dispositif d'injection d'eau classique comprend un injecteur qui est placé en aval de la zone de flamme primaire. Un refroidissement de cette nature pourrait avoir une petite influence sur la production globale d'oxyde nitrique mais il ne produirait pas la réduction souhaitée de la quantité d'oxyde nitrique "rapide" qui se forme dans la zone de flamme primaire. Dans le Brevet des Etats-Unis N" 3.021.673, on a décrit un système d'injection d'eau utilisé dans un moteur d'automobile à turbine à gaz en vue d'augmenter la poussée.On injecte de l'eau en aval de la buse de carburant et partiellement à l'intérieur de la zone de flamme primaire mais on estime qu'une telle disposition ne rentre pas dans le cadre de l'invention. En outre le Brevet précise que le système d'alimentation en eau est agencé de façon à ne pas affecter la combustion initiale. Dans une buse de carburant d'un dispositif de combustion d'une turbine à gaz du type comprenant un générateur de turbulence, on injecte de l'eau dans la chambre de combustion par l'intermédiaire d'orifices ménagés dans le générateur de turbulence à partir d'une source située en amont du générateur et coopérant avec lui. Deux modes de réalisation de l'invention comprennent une buse de carburant comportant un anneau placé dans une position voisine du générateur de turbulence ; en variante, on peut répartir circulairement un certain nombre de buses d'injection d'eau autour de la buse de carburant en les dirigeant vers les orifices du générateur de turbulence.Suivant l'invention, on peut injecter un pulvérisat d'eau dans la chambre de combustion sous l'influence du générateur de turbulence afin de diminuer les températures de réaction dans la chambre de combustion en réduisant ainsi le taux de formation d'oxyde nitrique dh fait que ce taux est fortement fonction de la température, ce qui produit une réduction de la concentration globale en acide nitrique dans les gaz d'échappement de la turbine à gaz. L'invention a en conséquence pour but de réduire les concentrations globales en oxyde nitrique dans lesgaz d'échappement d'une turbine à gaz. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent Fig. 1, une vue de côté en partie en coupe, d'une buse et d'un générateur de turbulence d'une turbine à gaz comportant un mode de réalisation de l'invention, Fig. 2, une coupe faite suivant la ligne II-II de la Fig. 1, la buse de carburant et le carter de combustion étant enlevés, Fig. 3, une vue similaire à la Fig. l et montrant une moitié d'une double buse de carburant comportant un générateur de turbulence, la figure représentant également un second mode de réalisation de l'invention, Fig. 4, une vue en bout d'une double buse de carburant, la partie correspondant à la chambre de combustion étant enlevée de façon à montrer l'agencement de l'invention par rapport au générateur de turbulence. En référence aux Fig. 1 et 2, une buse de carburant d'une turbine à gaz du type comprenant une seule source de carburant liquide comporte un corps de buse 13 et un générateur de turbulence 15. Le corps de buse est monté concentriquement dans un trou central 17 du générateur de turbulence. Ce générateur est entouré par un anneau de montage 19 qui fait partie de la plaque à orifices 21 du dispositif de combustion et du chapeau de garnissage 23. Bien qu'on puisse utiliser avec l'invention tous types de buses de carburant de turbine à gaz comportant un générateur de turbulence, la buse représentée sur la Fig. 1 est une buse à carburant atomisée par air qui permet de brûler de l'huile combustible. On a représenté la buse d'atomisation par air à titre d'exemple et il est à noter que l'invention peut s'appliquer également à une buse à atomisation par pression. La buse à carburant comprend un canal central 25 d'alimentation en huile comprenant une chambre convergente 27 de formation de tourbillon. Des passages d'air 31 canalisent l'air d'atomisation vers la chambre convergente 27 par l'intermédiaire de fentes tangentielles 33 qui donnent à l'air une composante de rotation dirigée vers l'intérieur de manière que la grande vitesse de l'air ainsi atteinte assure l'atomisation du carburant sous forme de petites gouttelettes. Les générateurs de turbulence 15 comportent un certain nombre de pales 35 montées sur sa périphérie et qui délimitent entre elles de-s fentes 37 de passage d'ajr, la fonction du générateur de turbulence étant d'introduire de l'air dans la chambre de combustion tout en créant dans celui-ci une turbulence en vue de réduire la production de fumées dans la chambre de combustion et de contribuer à la stabilisation de la flamme. On a décrit de façon plus détaillée un générateur de turbulence dans le Brevet des Etats-Unis N0 3.608.309. La présente invention concerne un dispositif pour réduire la concentration en oxyde nitrique dans les gaz d'échappement d'une turbine à gaz. Par exemple on a trouvé expérimentalement que l'injection d'eau et de carburant dans un rapport de 1 à 2 dans un dispositif de combustion opérant sous une pression de 8, 9 atmosphères et à une température de combustion de 965pu permettait d'obtenir une réduction du taux de formation d'oxyde nitrique supérieure à 2/1. Pour injecter de l'eau dans la chambre de combustion, on peut utiliser un tube annulaire borgne 39 qui est disposé autour de la buse de carburant comportant un certain nombre d'orifices 41 répartis circulairement.Les orifices 41 sont alignés avec certaines des fentes du générateur de tourbillon, comme indiqué sur la Fig. 2, un mode préféré de réalisation correspondant à l'alignement des orifices avec une fente sur deux. Le tuyau borgne 39 reçoit de l'eau à partir d'un réservoir externe (non représenté) et d'un système de pompage (également non représenté). Les Fig. 3 et 4 représentent un second mode de réalisation de l'invention. La Fig. 3 montre une partie d'une buse à atomisation par air (qui pourrait être également à atomisation par pression), associée à un générateur de turbulence. On a décrit une telle buse de façon plus détaillée dans le Brevet des Etats-Unis NO 3.630.024. Cette bure comprend un corps 113 et un générateur de turbulence 115. Le générateur de turbulence est engagé dans un anneau de montage 119 qui fait partie de la plaque à orifices 120 et du chapeau de garnissage 121. A l'intérieur du corps de la buse, on prévoit une buse 125 pour carburant liquide qui comprend une chambre de formation de tourbillon 127 convergeant vers l'avant. La buse à carburant liquide est entourée par un certain nombre de passages d'air atomisé 129 pour diriger un écoulement d'air d'atomisation par l'intermédiaire des fentes 133 vers la chambre convergente de formation de tourbillon de la buse à carburant liquide. Une seconde structure concentrique comprend des passages de carburant gazeux 131 disposés dans le corps de buse. Le générateur de turbulence comporte plusieurs aubes 135 disposées circulairement et délimitant entre elles des fentes 137. Des canaux de carburant gazeux 131 communiquent avec une fente sur deux du générateur de turbulence par l'intermédiaire de conduits de dosage 139. Le mode de réalisation représenté sur les Fig. 3 et 4 comporte un certain nombre de buses de pulvérisation 151 disposées circulairement et fixées sur le corps de la buse de carburant. Les buses de pulvérisation peuvent être disposées de façon à se trouver approximativement en face d'une fente sur deux du générateur de turbulence, l'agencement particulier étant donné à titre d'illustration. Les buses de pulvérisation sont destinées à alimenter en eau la chambre de combustion et ce résultat est obtenu par leur raccordement à une source d'eau externe (non représentée) à l'aide des passages d'alimentation 155. Le fonctionnement de l'invention découle de sa constraction. Dans une buse à carburant du type comportant un générateur de turbulence, on réduit la concentration en oxyde nitrique dans les gaz d'échappement de la turbine à gaz en injectant de l'eau dans la zone de réaction de combustion. On a décrit ci-dessus deux modes de réalisation, à savoir un mode comportant un anneau de buse, comprenant un tuyau circulaire borgne qui est pourvu d'orifices pour diriger un pulvérisat d'eau vers les fentes du générateur de turbulence, à savoir vers une fente sur deux. Dans le second mode de réalisation, le tuyau circulaire borgne est remplacé par plusieurs buses individuelles de pulvérisation d'eau qui sont reliées à une source d'alimentation externe et qui pulvérise des gouttelettes d'eau dans toutes les fentes du générateur de turbulence. Ces deux modes de réalisation sont placés en amont du générateur de turbulence. L'anneau de buses ou la rangée annulaire de buses pulvérisent de l'eau en direction d'orifices en forme de fentes du générateur de turbulence. Ensuite les particules d'eau pulvérisées sont entrainées dans la zone de réaction de combustion avec l'air qui passe par les orifices du générateur de turbulence. Puisque la pulvérisation de l'eau s'effectue en amont du générateur de turbulence et également de la chambre de combustion1 elle peut effectivement réduire la concentration en acide nitrique dans les deux zones de flamme primaire, en empêchant ainsi les processus "rapides" et à "air chaud. Revendications l.- Dispositif d'injection de fluide utilisable dans un système de combustion de turbine à gaz comprenant une buse de carburant dans laquelle est monté un générateur de turbulence qui comporte un certain nombre d'aubes réparties circulairement et délimitant entre elles des fentes d'admission d'air dans le dispositif de combustion en vue de leur transmettre une turbulence, dispositif caractérisé en ce qu'il coopère avec le générateur de turbulence et est placé en amont des fentes du générateur de turbulence et en alignement avec celles-ci pour diriger un pulvérisat liquide vers les fentes du générateur de manière que ce liquide soit ensuite transporté par l'intermédiaire des fentes sous l'impulsion de l'air du générateur de turbulence dans le système de combustion en vue de réduire les températures de fonctionnement dans ce système de combustion et de diminuer le taux de formation d'oxyde nitrique. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caracté risé en ce que le dispositif de pulvérisation comprend un tuyau borgne placé autour de la circonférence de la buse de carburant et dans une position adjacente au côté d'amont du générateur de turbulence, ledit tuyau borgne comportant plusieurs orifices dirigés vers les fentes du générateur de turbulence. 3.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de pulvérisation comprend un certain nombre de buses de pulvérisation réparties circulairement autour de la buse de carburant en amont du générateur de turbulence et dirigées vers les fentes du générateur de turbulence. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de pulvérisation est dirigé vers des fentes alternées sur la périphérie du générateur de turbulence.