Brevet FR2384950A1 — publié le 19781020

L'invention a pour objet une chambre de combustion pour moteurs à turbines à gaz équipés d'moins un échangeur de chaleur pour réchauffer3à l'aide d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement, l'air provenant du compresseur et envoyé à la chambre de combustion, le volume annulaire de la chambre de combustion forme entre le carter extérieur et au moins un tube à flamme inséré dans ce carter pouvant être exposé à l'action de l'air réchauffé du compresseur, lequel peutDêtre introduit à l'intérieur du tube à flamme3 sous forme d'air primaire, d'air secondaire et d'air tertiaire, au moyen d'orifices du tube à flamme, la tête du tube a flamme, qui contient la buse d'injection de combustible, étant en outre incorporée à l'intérieur d'un carter collecteur d'air isolé du volume annulaire, une partie de l'air du compresseur, prelevée avant l'echangeur de chaleur, pouvant être envoyée à écarter en tant qu'air de refroidissement. Les moteurs a turbines à gaz munis d'échangeurs de chaleur sont en général mis en application dans les vêhicules lourds et les installations fixes. A cet égard, des conditions particulièrement sévères sont posées à la chambre de combustion, car, par suite du réchauffage de l'air du compresseur par l'echangeur de chaleur, les temperatures de parois de la zone de réaction et de -la zone de postréaction de la chambre de combustion atteignent et dépassent 1000 C. Cette sollicitation thermique élevée de la chambre de combustion a pour conseuerce une durés de vie insuffisante des chambres de combustion métal 1-i ques actuellement utilisées. Dans une chambre de combustion du type indiqué dans le préambule pour moteurs à turbines à gaz munis d'échangeurs de chaleur et essentiellement connue d'après le modèle d'utilité aliemand 7 430 508, il est certain que, compte tenu des sollicitati.ons dues aux températures relativement élevées pendant le fonctionnement permanent, on peut déjà-obtenir un accroissement de la durée de vue de la chambre de combustion en utilisant une fraction relativement faible de l'air du compresseur prelevée avant l'echangeur de chaleur exclusivement pour refroidir la partie antérieure du tube à flamme ou aussi des parties latérales de ce tube à flamme. Compte tenu notamment de la possibilité de refroidissement supplémentaire des parties latérales du tube à flamme, un besoinrelativement élevé en air de refroidissement se manifeste dans cette chambre de combustion connue. D'autre part, les abaissements de température que l'on peut ainsi obtenir ne correspondent pas aux conditions posées par les installations à turbines à gaz récentes munies d'échangeurs de chaleur, dans le cadre de la température de fonctionnement relativement elevée que l'on désire. D'après la demande allemande DT-AS 2 163 822, on connaît, en outre, une installation à turbines à gaz munies d'échangeur de chaleur, dans laquelle on prétend diviser l'amenée d'air à la chambre de combustion en conduisant l'air du compresseur entourant l'échangeur de chaleur principalement dans la zone de combustion de la chambre de combustion, tandis que la partie principale de l'air du compresseur sert, après rechauffage dans un échangeur de chaleur à assurer l'alimentation en air restante de la chambre de combustion.On cherche ainsi à avoir la plus faible emission possible de produits nocifs (oxydes d'azote, hydrocarbures imbrûlés), essentiellement en abaissant les pointes de température de combustion dans la zone de réaction et en maintenant en même temps des temperatures de post-réaction suffisamment elevées. Les inconvenients essentiels de cette installation connue résultent principalement d'un abaissement du rendement thermique du processus de réaction avec, en conséquence, une augmentation considérable de la consommation de combustible. Par exemple, une derivation d'air de 1 % provoque une consommation supplémentaire de 1,5 à 2 g par CVh dans la catégorie de puissance des moteurs comprise entre 300 CV et 400 CV.Les pourcentages d'air dérivé sont habituellement compris entre 10 % et 30 % dans les réalisations connues suivant le mode de fonctionnement et le cas de charge. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients des réalisations connues et de créer une chambre de combustion resistant mieux aux sollicitations à températures élevées avec une construction relativement simple. L'invention concerne à cet effet une chambre de combustion du type ci-dessus, caractérisée en ce que la tete du tube à flamme ainsi qu'une partie de transition de ce tube à flamme située en aval de la zone de mélange sontréaiisees en une matière métallique réfractaire, la partie du tube à flamme comprise entre sa tête et la partie de transition étant réalisée sous forme de tube céramique à montage flottant. Avec la chambre de combustion conforme à l'invention, on peut avantageusement remplir les conditions de mise en oeuvre dans lés moteurs à échangeurs de chaleur en-ce qui concerne la temperature de fonctionnement élevée, la faible consommation specifique de combustible et la durée de vie élevee requise. Cela est obtenu par la combinaison de parties en tôle refroidies de façon optimale et par la mise en oeuvre de matière céramique pour chambres de combustion nouvelles et pouvant subir des sollicitations élevées, avec des formes géométriques simples que l'on peut maîtriser a l'heure actuelle. La.division, procurant un avantage supplémentaire, de l'air du compresseur en flux d'air froid et en flux d'air chaud, permet, contrairement à l'abaissement intentionnel dêjà proposé des températures de réaction maximales dans la chambre de combustion, d'utiliser l'air du compresseur entourant l'echangeur de chaleur, par suite de la température plus basse de cet air, pour produire intentionnellement un refroidissement de paroi intensif dans la zone de la tête de la chambre de combustion, dans le cadre des procédes de refroidissement modernes aétuellements usuels et d'efficacité élevée tels que refroidissement par convection en liaison avec refrcidissement- par film. On peut ainsi, evec une fraction d'air dérivé minimale et en général inférieure à 5 % de la totalité de l'air du compresseur, abaisser la température de paroi maximale dans un domaine ou l'on peut utiliser des matériaux moins réfraçtaires, c'est-à-dire moins fortement allies, par exemple le X 10 CrNiTi 189. Il faut alors que, par construction, le guidage de l'air de refroidissement dans la tête prenne une forme telle que dans la zone de réaction elle-même, seules des fractions peu importantes de l'air de refroidissement participent a la réaction. D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont indiquées dans la suite. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et du dessin annexé représentant un exemple de réalisation de l'invention. Dans ce dessin, la figure unique est une coupe longitudinale axiale d'une chambre de combustion conforme à l'invention. La chambre de combustion représentée sur le dessin est destinée à faire partie d'un moteur à turbine à gaz muni d'un échangeur de chaleur par lequel l'air provenant du compresseur et envoyé à la chambre de combustion est réchauffé au moyen d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement.-te volume annulaire 3 de la chambre de combustion formé entre le carter extérieur 1 et le tube à flamme 2 insere dans ce carter est prévu pour subir l'action de l'air provenant du compresseur et réchauffé par l'échangeur de chaleur (température de l'air egale, par exemple, à 800"C environ). Cet air arrive par les orifices d'amenee 4 et 5 pratiqués dans le carter extérieur 1. La tete 7 du tube à flamme, contenant la buse d'injection de combustible 6, est incorporée dans un carter collecteur d'air 8 isolé vis-à-vis du volume annulaire 3. Une fraction d'air du compresseur, prélevée avant l'échangeur de chaleur, peut être envoyée, en tant qu'air de refroidissement, au carter 8 (température de l'air egale, par exemple, a 260"C environ, flèche K), par l'intermédiaire d'un orifice 9 du couvercle 10 de la chambre de combustion. La tête 7 du tube à flamme 2 ainsi qu'une partie de transition 11 de ce tube à flamme 2 situee en aval de la zone de mélange M sont, en outre, réalisées en une matière métallique réfractaire. De plus, la partie du tube à flamme 2 comprise entre sa tête et a partie de transition est réalisée sous forme d'un tube céramique 12 à montage flottant. Les mouvements relatifs de la tête 7 du tube àflamme et de la partie de transition Il par suite des variations thermiques sont absorbés par des joints isolants 13, 14, disposés entre ces éIémentsde construction metalliques et le tube ceramique 12. Les joints isolants 13, 14, ont également pour rale d'éviter le contact entre le tube ceramique 12 et les deux éléments en tole (tête 7 du tube à flamme et élément de transition 11) On constitue ainsi une chambre de combustion pouvant, étant donné que le tube céramique 12 est à l'épreuve de la chaleur, résister à des températures allant jusqu'à 1400"C, en particulier dans le domaine à température élevée défini par la zone de réaction R et par la zone de post-réaction N-R. D'autre part, on peut compenser de façon optimale le défaut inhérent à la matiere céramique et consistant en une- faible valeur dtélasticité et de résistance, defaut qui se manifeste notamment lors de la fabrication et de l'utilisation de parties de la chambre de combustion de forme.compliquee, en utilisant des matières métalliques refractaires pour ces parties de construction difficiles à façonner (tête 7 du tube à flamme et partie de transition 11). On agit alors en tenant compte particulièrement du montage dit "flottant" du tube céramique 12. Pour assurer une meilleure compensation des sollicitations de températures relativement élevées ainsi que des fluctuations correspondantes, on assemble rigidement la partie de transition 11, de préférence à son extremite aval, avec le carter exterieur 1. Par contre, la tête 7 du tube à flamme est fixée par l'intermédiaire du carter collecteur d'air 8 sur un couvercle frontal 10 de la chambre de combustion ou sur le carter extérieur 1. Par suite de la disposition decrite de la tête 7 du tube à flamme sur le couvercle 10 de la chambre de combustion, on peut aisement monter et entretenir les divers groupes constructifs de cette chambre de combustion. Comme on peut le voir, en outre, sur le dessin, le carter collecteur d'air 8 entoure comme un tambour la tête 7 du tube à flamme avec la buse-dtinjection de combustible 6. Ce carter 8 est disposé dans le volume annulaire 3 avec-un espacement radial En outre, la tête 7 du tube à flamme et la partie de transition 11 comportent des parties de parois d'extrémité 15, 16, élargies en forme de solide de révolution et dirigées l'une vers Autre parallelement- l'axe, ces parties venant en prise autour des extrémités du tube céramique 12 avec interposition des joints isolants 13, 14. Ces elargissements de révolution sont prédéterminés,eu égard aux épaisseurs de parois choisies pour le tube céramique et pour les joints isolants. il est, en outre, judicieux que la partie de transition il soit réalisée en tant qu'élément composant de la chambre de combustion ou de son carter extérieur 1. La partie de transition peut être agencée simultanément en tant qu'élément de sortie de la chambre de combustion et en tant qu'élément incorporé de guidage de gaz vers la turbine. Sur le dessin, on a désigné par 17 et 18 des fentes et des organes de guidage d'air de refroidissement appropriés pour un refroidissement intentionnel de la tête 7 du tube à flamme. Au lieu des fentes et des organes de guidage d'air de refroidissement représentés à titre d'exemple, la tête 7 du tube à flamme peut aussi être perforée avec un nombre relativement grand de perçages d'air de refroidissement relativement petits. Dans toutes les variantes possibles pour le guidage de l'air de refroidissement, il y a lieu de veiller ce que les configurations des fentes ou des perçages soient telles qu'on ait un refroidissement optimal du tube à flamme et que seules des fractions non importantes de l'air de refroidissement participent à la combustion ou à la réaction. Du reste, les perçages du tube à flamme 2 prévus pour liamenee de l'air primaire, de l'air secondaire et de l'air tertiaire sont designés, dans l'ordre, par 19, 20 et 21. La chambre de combustion conforme à l'invention con; tue a avantageusement, dans le cadre de l'idée générale de l'invention, une combinaison de matières métalliques réfractaires et de matières céramiques. R E V E N D I C A T I O N S 1"/- Chambre de combustion pour moteurs à turbines à gaz équipés d'au moins un echangeur de chaleur pour rechauffer à l'aide d'une partie de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement l'air provenant du compresseur et envoyé à la chambre de combustion, le volume annulaire de la chambre de combustion, formé entre le carter extérieur et au moins un tube à flamme inséré dans ce carter, pouvant être exposé à l'action de l'air du compresseur réchauffé qui peut être introduit à l'intérieur du tube à flamme, sous forme d'air primaire, d'air secondaire et d'air tertiaire, au moyen d'orifices du tube à flamme, la tête du tube à flamme qui contient la buse d'injection du combustible étant, en outre, incorporée à l'intérieur d'un carter collecteur d'air isolé du volume annulaire, une partie de l'air du compresseur prélevée avant l'échangeur de chaleur pouvant être envoyée à ce carter en tant gu'air de refroidissement, chambre caractérisée en ce que la tête (7) du tube à flamme ainsi qu'une partie de transition (11) de ce tube à flamme (2) situee en aval de la zone de mélange sont réalisées en une matière métallique réfractaire, la partie du tube à flamme comprise entre sa tête et la partie de transition étant réalisée sous forme de tube ceramique.(12) à montage flottant. 2"/- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisoeen ce que les mouvements relatifs de la tête (7) du tube à flamme et de la partie de transition (11) par suite des variations thermiques sont absorbes par des joints isolants (13, 14) disposés entre ces éléments de constrflction inétalliques et le tube céramique (12). 3"/- Chambre de combustion suivant l'une ou l'autre des revendications i et 2, caractérisée en ce que la partie de transition (11) est assemblée rigidement, de préférence à son extrémité aval, avec le carter extérieur (1), tandis que la tête (7) du tube à flamme est fixee par l'intermédiaire du carter collecteur d'air (8) sur un couvercle frontal (10) de la chambre de combustion ou sur le carter extérieur (1). 4"/- Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le carter collecteur d'air (8) entoure la tête (7) du tube à flamme avec la buse d'injection de combustible (6), ce carter (8) étant disposé dans le volume annulaire (3) avec un espacement radial. 5"/- Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisée en ce que la tete (7) du tube à flamme et la partie de transition (11) comportent des parties de parois dtextrémité (15,16) élargies en forme de solide de révolution et dirigées l'une vers l'autre parallèlement à l'axe, ces parties venant en prise autour des extrémites du tube ceramique (12) avec interposition des joints isolants (13, 14), ces élargissements de révolution étant prédéterminés eu égard aux épaisseurs de parois choisies pour le tube ceramique et pour les joints isolants. 6 /- Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la partie de transition (11) est réalisée en tant qu'élément composant de la chambre de combustion ou de son carter exterieur (1). 7"/- Chambre de combustion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie de transition est réalisée simultanement en tant qu'élément de sortie de la chambre de combustion et en tant qu'élément incorporé de guidage de gaz vers la turbine.