Brevet FR2398885A1 — publié le 19790223

La présente invention concerne des moteurs à turbine à gaz et elle a trait, plus particulièrement, à une approche simplifiée pour réduire l'émission d'oxyde nitreux par la technique dtinjec- tion d'eau. A l'heure actuelle où la sauvegarde de l'environnement prend de plus en plus d'importance, on peut penser que les règlements relatifs à la pollution de l'air deviendront de plus en plus stricts et qu'il sera de plus en plus difficile de satisfaire aux normes industrielles en ce qui concerne les émissions de gaz. Ces considerations concernant l'environnement affecteront les centrales électriques à moteurs à turbine à gaz industrielles et pourront exiger la réduction des niveaux d'emission en accord avec la technologie disponible à des prix réalistes. Cependant, la tendance du développement des moteurs à turbine à gaz est orientée vers les moteurs à très haute température qui, bien que de façon inhérente plus efficaces, tendent également à avoir des niveaux plus élevés d'émission d'oxyde nitreux (NOx). On accepte d'une manière. générale que la formation de NOX s'accroît exponentiellement avec la température de combustion. On a généralement considéré que l'on pouvait réduire la formation de NOX en introduisant de l'eau sous la forme de liquide ou de vapeur dans le processus de combustion pour réduire la température à laquelle l'air est chauffé par la combustion du carburant dans la zone primaire de combustion. Du fait de l'accroissement exponentiel de la formation de NOX avec la température de combustion, on peut obtenir des réductions relativement importantes de NOx avec des débits d'eau relativement faiblies. En outre, le procédé spécifique d'inJections d'eau dans des moteurs à turbine à gaz n' apparaît pas comme particulièrement important.On a injecté séparément de l'eau dans la chambre de combustion par des buses distinctes sous forme de liquide et sous forme de vapeur. On a également injecté de l'eau dans la chambre de combustion dans des directions amont, aval et intermédiaires au moyen de passages d'eau distincts dans l'injecteur de carburant. On a même introduit l'eau par des buses à double écoulement dans lesquelles on injectait coaxialement l'eau et le carburant dans la chambre de combustion.Cependant, bien que ces procédés d'injection d'eau aient rencontré du succès dans le réglage de l'émission de Nox, ils ont, à l'occasion, présenté certains inconvénients pour la durée de vie des pièces mécaniques dus aux gradients locaux de température dans la région où l'on injecte l'eau.-En fait, des essais sectoriels au moyen d'instruments ont montré queen utilisant le procédé d'injection d'eau en amont par la buse, des variations de la température du métal de la chambre de combustion s'accroissent, passant de variations de température nodales de 2600C lorsqu'il n'y a pas d'injection d'eau Jusqu'à une variation de 4270C avec les quantités d'eau injectéesnécessairespour obtenir des réductions notables de NO5. Bien que ces variations de température soient les résultats mesurés d'une série particulière d'essais sectoriels de moteur, ils sont représentatifs de la tendance des variations de température que l'on peut trouver dans d'autres chambres de combustion de moteurs -à turbine à gaz. Plus récemment, on a utilisé avec succès le concept de ltemulsification du carburant et de Liteau et de ------------------ l'injection du mélange par les buses de carburant normales (ou élargies). Ce procédé a des avantages considérables par rapport aux systèmes reposant sur l'injection séparée de carburant et d'eau car on réduit la complexité, on peut éliminer des buses distinctes, et on réduit le prix en conséquence. Il existe un vieil axiome qui dit que l'eau et le carburant ne se mélangent pas. Cependant, ils le font, mais seulement temporairement. Ils se séparent ensuite à une vitesse qui est fonction de la densité du carburant. Lorsque la densité approche l'unité (c'est à dire lorsque le carburant a la même densité que l'eauX, la vitesse de séparation devient beaucoup plus lente. Pour obtenir une émulsion carburant-eau satisfaisante, on a, de manière courante, traité les deux liquides séparés au moyen d'un dispositif d'homogénéisation où à la fois le carburant et l'eau sont pressurisés a un niveau très élevé et ensuite pulvériséspar des orifices extrêmement petits pour percuter contre un bloc de percussion dur dans une chambre de mélange commune.La percussion brise chaque fluide en particules extrêmement-fines qui sont alors intimement mélangées ou émulsifiées, pour former un fluide homogène. La vitesse de séparation ultérieure est apparemment ralentie par la finesse de l'émulsion. Cependant, cet équipement d'homogénéisation est volumineux et couteux. Puisque la suppression de Nos par l'eau est simplement une fonction de la concentration en eau, le concept d'émulsion est seulement un moyen utilisé pour assurer que chaque buse de carburant est alimentée avec la même quantité de carburant et d'eau. Puisque les buses sont alimentes par une source sous pression commune (généralement un collecteur de carburant), alors toutes débiteront la même quantité de fluide, que ce soit du carburant, de liteau ou une émulsion carburant-eau. Si une séparation a lieu avant la combustion, alors certaines buses débiteront plus de carburant (ou d'eau) que d'autres et des répartitions de températures inacceptables apparaîtront à l'intérieur du moteur.En fait, on a trouvé que des variations de débit de carburant, entre des buses, supérieures à 10 % sont généralement non souhaitables. En bref, il est nécessaire de mélanger le carburant et l'eau ou de les émul- sifier seulement jusqu'au niveau nécessaire pour assurer des repartitions uniformes pour toutes les buses de carburant alimentées par le collecteur. Puisque, en l'état actuel de la technique, les dispositifs d'émulsification ou d'homogénéisation combustible-eau sont de façon inhérente complexes, lourds et coûteux, il serait avantageux de développer un dispositif d'emulsification qui simplement satisfasse à l'exigence d'une distribution uniforme du carburant entre les buses alimentées par le collecteur. En conseuence-, la présente invention a pour but : De fournir un moteur à turbine à gaz perfectionne dans lequel on réduit la formation de NOX par un concept simplifié d'injection d'eau. De fournir un procédé de réduction des émissions de NOX à partir des chambres de- combustion de moteurs à turbine à gaz au moyen d'un concept simplifié d'injection d'eau. De fournir un procédé de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz avec injection d'eau qui réduise la variation en pourcentage du carburant entre les buses d'un ensemble de buses en prolongeant le temps de séparation carburant-eau. En bref, selon la présente invention, on introduit des flux d'eau et de carburant distincts par l'intermédiaire d'entrées généralement perpendiculaires d'une section commune en "T" dans laquelle les deux flux sont généralement normaux à leur point de confluence pour produire par turbulence un mélange Le mélange résultant reste homogène pendant le court instant nécessaire pour qu'il soit injecté dans la chambre de combustion, en particulier si le flux reste turbulent jusqu'à l'injection. On a trouvé que, a des rapports eau-carburant légèrement supérieurs à 0,7 (pour du carburant diésel nO 2), le mélange commence à se transformer en une crème homogène ayant une vitesse de séparation beaucoup pluslente. Par conséquent, on peut réduire la variance en pourcentage du carburant entre les buses d 'un ensemble de buses de carburant alimentées par un collecteur commun recevant le mélange. Des essais sectoriels ---------------- au moyen d'instruments ont montré que, au lieu d'un accroissement de la variation de température de la chambre de combustion comme c'était le cas avec l'injection séparée de carburant et d'eau, l'utilisation de la technique d'émulsification carburant-eau de la présente invention diminue notablement cette variation de température, tendant ainsi à prolonger la durée de vie de la chambre de combustion. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1 : une représentation graphique de la variation d-es émissions de NOX d'un moteur à turbine à gaz en fonction de la température de combustion, Figure 2 : une vue schématique partielle,en coupe,d'un moteur à turbine à gaz incorporant la présente invention, Figure 3 : une vue partielle agrandie du système de mélange combustible-eau de la présente invention montrant sa relation avec les buses de carburant de la chambre de combustion, Figure 4 : un graphique qui compare l'effet d'injection d'eau sur les émissions de NO5 pour une injection séparée de carburant et d'eau et d'un mélange émulsifié de carburant et d'eau, et Figure 5 : les variations de phases d'un mélange émulsifié carburant-eau en fonction de la variation du rapport eau-carburant. Sur les figures les mêmes numéros correspondent aux mêmes éléments. La figure 1 est une représentation graphique de la relation exponentielle qui existe entre l'émission de NO5 (représenté par un indice sans dimension de NO5) et la température de combustion dans un moteur à turbine à gaz. La ligne 10 représente le lieu des données d'essai concernant ce phénomène.On reconnaît d'une manière généraie que l'on peut obtenir le réglage de l'émission de NQx en injectant de l'eau liquide ou de la vapeur d'eau dans le processus de combustion pour abaisser les températures de combustion maximales et, puisque la relation entre l'émission de NOX et la température de combustion est exponentielle, on peut apprécier à partir de la figure I que des quantités relativement petites d'injection d'eau peuvent produire de grandes réductions de l'émission de NOx. L'invention que l'on va decrire concerne la réduction de l'émission de NOX dans des moteurs à turbine à gaz et englobe la réduction de l'émission de NOX par injection d'eau telle que décrite à la figure 1. Bien que, d'une manière générale, les moteurs a turbine a gaz soient bien connus dans la technique, pour mettre en évidence les interrelations entre les divers composants, on va décrire brièvement un tel moteur. A cette fin, on se reportera maintenant a la figure 2 qui représente un moteur à turbine à gaz de marine ou ---- industriel indiqué d'une manière générale en 12 et comportant la présente invention. D'une maniere générale on peut considérer que ce moteur comprend un générateur de gaz 14 et une turbine de puissance indépendante 16. Le générateur de gaz comprend un compresseur axial 18 ayant un rotor aubage 20.L'air entre par l'admission 22, est comprimé par le compresseur 18 et est ensuite déchargé dans une chambre de combustion 24 où il est normalement mélangé avec du carburant et brûlé pour fournir des gaz de combustion d'énergie élevée qui entraînent la turbine 26 du générateur de gaz. La turbine 26, à son tour, entraine le rotor 20 par l'intermédiaire de l'arbre 28. Les gaz de combustion chauds passent ensuite dans une turbine de puissance 16 et entraînent cette turbine à son tour entraîne un dispositif absorbant de l'énergie (non représenté) par l'intermédiaire de l'arbre 30. On obtient ainsi de la puissance par l'action des gaz de combustion chauds entrainant la turbine de puissance 16. Les produits de combustion sont ensuite recueillis et déchargés par une tuyère de décharge 32 qui,-dans certaines applications, peut être une tuyère de propulsion.La description ci-dessus est classique de nombreux moteurs à turbine à gaz actuels,industriels ou de marine, et ne doit en aucune façon limiter la présente invention car, comme on le verra rapidement, la présente invention peut s'appliquer a n'importe quelle turbomachine à gaz, que ce soit un turboréacteur, un turbopropulseur ou un turbomoteur. La description ci-dessus du fonctionnement du moteur de la figure 2 n'est donnée qu'à titre d 'indication. La présente invention fournit un moyen simplifié pour émulsifier du carburant et de l'eau afin de réduire l'émission de N x du moteur à turbine à gaz et pour obtenir une répartition carburant-eau plus uniforme à l'intérieur de la chambre de combustion de ce moteur à turbine à gaz. En se reportant maintenant à la figure 3, on a représenté schématiquement un système qui met en oeuvre les concepts inventifs de la présente invention. De manière surprenante, on a trouvé que lorsqu'on ajoute de l'veau au système d'alimentation en carburant d'un moteur à turbine à gaz au moyen d'un simple raccord en "T" 34, il apparaît une homogéné- isation suffisante.En particulier le raccord en "T" 34 est pourvu d'une première entrée 36 destinée à recevoir un flux de carburant et d'une seconde entrée 38 destinée à recevoir un flux d'eau. Des tuyaux 40, 42 sont reliés aux entrées 36, 38 respectivement, et comprennent des parties des systèmes respectifs d'alimentation en carburant et en eau. Les flux d'eau- et de carburant sont des écoulements continus et non es brouillards oupulvérisations et sont généralement normaux l'un à l'autre à leur point de confluence à l'intérieur du raccord en "T" afin de s'y mélanger par turbulence. Une sortie unique 44 décharge ---------- le mélange dans le tuyau 46 au moyen duquel le mélange est acheminé à un diviseur de flux 48. Chaque branche 50 du diviseur communique avec un collecteur de carburant généralement semi-circulaire 52 alimentant un ensemble de buses 54 disposées dans 1lextre- mité amont de la chambre de combustion 24 (voir figure 2) de la manière usuelle dans un moteur à turbine à gaz. Lorsqulon introduit le carburant et l'eau dans le raccord en "T" dans des conditions suffisantes pour produire un mélange par turbulence (c'est à dire à un nombre de Reynolds correspondant à une turbulence), il apparaît une homogénéisation suffisante de sorte que les proportions de carburant et d'eau fournies à chaque buse 54 soient suffisamment uniformes. Lors d'essais effectués en utilisant un raccord de mélange en "T" ayant un diamètre d'entrée d'eau de 8,25 mm, un diamètre d'entrée de carburant de 15,875 mm et du diésel nO 2 comme carburant on a mesuré une variation de 1 % de la teneur en carburant à a décharge des branches du diviseur 50.Dans une section du collecteur 54 ayant 15 buses, on a enregistré à la décharge des buses une variation de la teneur en carburant de 3,5- % (maximum moins minimum divisé par la moyenne). Avec du combustible JP4, la variation de la teneur en carburant aux buses était de 10 %. Pour des raisons encore inexpliquées, lorsque l'on réduisait le diamètre d'entrée d'eau à 7,87 mm, la variation en pourcentage du carburant (pour le diésel nO 2) entre les branches du diviseur 50 augmentait de 1 % jusqu'à une valeur aussi élevée que 7,8 %, ce qui est encore dans des limites acceptables. La précision expérimentale peut être supérieur à cette différence. Les vitesses d'écoulement dans un moteur à turbine à gaz sont telles que le temps écoulé pour que ces écoulements voyagent du raccord en "T" (qui d'une manière pratique est situé juste en amont du collecteur de carburant jusqu'à la buse la plus éloignée 54 est seulement de quelques secondes, temps bien inférieur au temps de desémulsification (c'est à dire le temps avant que n'apparaisse une séparation notable). En outre, le niveau de turbulence dans les collecteurs tend à accroître le temps de désémulsification car les vitesses élevées inhérentes favorisent le mélange plutôt que la décantation.En outre, bien que la figure 3 représente un raccord en "T" à angle droit, certains angles autres que 900 au point de confluence seraient acceptables à la condition que le mélange et l'écoulement à ce point de confluence soient turbulents afin d'homogénéiser les deux liquides dissemblables Des essais effectués en utilisant la présente invention ont montré que les réductions en NOX atteintes avec l'utilisation de mélanges emulsiìés carburant-eau étaient quelque peu supérieures à celles obtenues avec de l'eau injectée séparément. La figure 4 montre une comparaison des émissions de NOX mesurées pendant ces essais. Par exemple, une réduction de 50 % de NOx nécessiterait un rapport eau-carburant de 0,6 lorsque l'eau est injectée séparément.On peut obtenir la même réduction de NOX avec un rapport de 0,4 lorsque le mélange est émulsifié selon la présente invention. On peut incorporer la présente invention dans un moteur à turbine à gaz, tel que le moteur à turbine à gaz de type industriel représenté à la figure 2, ayant un système d'alimentation en carburant 56 comprenant, en partie, un réservoir 58 à partir duquel le carburant est pompé et acheminé par l'intermédiaire d'une commande de carburant 60 d'un type connu qui est sensible à la manette des gaz et qui détecte et compense en fonction des paramètres mesurés du moteur. Le carburant provenant d'une telle commande est acheminé vers le côté entrée 36 du raccord en "T" 34. L'eau est pompée vers l'entrée 38 du raccord en "T" à partir d'un réservoir 62 et par l'intermédiaire d'une vanne 64 qui est réglée par le signal de sortie de la commande de carburant pour maintenir le rapport voulu eau-carburant du mélange.Un tel dispositif de commande est familier au spécialiste et n'entre pas dans le cadre de la présente invention. On a également trouvé que lorsque le rapport eau-carburant pour le carburant diesel nO 2 dépasse 0,7, la consistance de ltemulsion commence à changer, passant d'une suspension de gouttes d'eau dans le carburant à une crème homogène, et la crème est totalement formée lorsque le rapport approche 1,0. On a représenté ceci schématiquement par la ligne en trait plein 64 de la figure 5. Tandis que le mélange normal de gouttes d'eau suspendues dans du carburant nécessite moins de quelques minutes pour se séparer, les mélanges crémeux homogènes nécessitent deux à huit heures pour se séparer. D'une manière claire, cette tendance réduite à la séparation signifie que l'on peut obtenir une répartition plus uniforme du carburant entre l'ensemble des buses et que le raccord de mélange en "T" peut être situé plus loin des buses. Les essais effectués avec du carburant JP4 montraient que le mélange crémeux se formait à un rapport eau-carburant de 1,4. D'une manière intéressante, après que la crème se soit formée et que le débit d'eau ait été légèrement réduit, il n'y a pas de changement apparent notable dans la consistance jusqu' ce que l'on ait réduit le rapport eau-carburant de 0,9 à 0,65, comme le montre la ligne en tirets 66 de la figure 5. Lorsqu'on approche ce point, le mélange crémeux devient lourd, changeant de la consistance de la crème fouettée à celle d'une peinture. Une nouvelle diminution du rapport eau-carburant ramène le mélange à son état normal de suspension. Des essais montrent qu'il n'y a pas d'accroissement significatifs de la pression du carburant dans le collecteur pour l'émulsion crémeuse pour des conditions de fonctionnement similaires. Bien que le rapport eaucarburant auquel la conversion en mélange crémeux a lieu peut être supérieur au domaine de fonctionnement normal pour certains moteurs, il peut être avantageux de fonctionner initialement à des rapports eau-carburant élevés pour obtenir l'amorçage de la formation de crème et ensuite réduire ce rapport, retournant à la courbe en traits interrompus 66 de la figure 5 pour utiliser avantageusement le phénomène analogue à un phénomène d'hystérésis selon lequel on peut maintenir la texture crémeuse à des rapports eau-carburant plus faibles que sur la ligne en trait plein de la figure 5. Le phénomène qui provoque la formation de crème peut probablement s'expliquer par la grande différence de tension superficielle des deux fluides. L'application de contraintes du cisaillement élevées au mélange à deux phases conduit en une plus grande subdivision de la phase carburant que de la phase eau. Initialement, le carburant est une phase continue tandis que l'eau se trouve sous la forme de gouttes relativement grandes qui se décantent rapidement.Lorsque l'on poursuit l'addition d'eau, on atteint un point où il y a inversion de phase et où l'eau devient la phase continue dans laquelle est suspendu du carburant sous forme de gouttes relativement petites ayant une faible possibilité de coalescence et de séparation C'est l'émulsion décrite ici sous le terme "de crème", probablement un fluide pseudo élastique plutôt qu'un fluide Newtonien (tel que le carburant ou l'eau seul). On peut inverser le processus en ajoutant de grandes quantités de carburant au mélange tout en poursuivant l'action de cisaillement. On peut apporter de nombreuses modifications à la présente invention sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la prersente invention inclut également tout agencement dans lequel deux flux continus un de carburant et un d'eau, sont combinés de façon turbulente sans nécessiter de dispositif d'homogénéisation complète. Bien qu'un simple raccord en "T" soit efficace, ceci est seulement un exemple d'un moyen pour combiner directement les deux fluides par mélange turbulent pour produire un mélange homogène. L'injection des flux suivant des angles autres que 900 au point de confluence serait également acceptable à la condition que le mélange qui apparaisse soit turbulent (c'est à dire ait lieu à un nombre de Reynolds en rapport avec un ecoulement turbulent pour les moyens de combinaison directs employés). REVENDICATIONS 1. Moteur a turbine à gaz comprenant une chambre de combustion dans laquelle un flux d'air sous pression est mélangé à du carburant et brûlé, et un système pour fournir du carburant à cette chambre de combustion, moteur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour combiner directement le flux de carburant avec un flux d'eau pour les mélanger par turbulence avant fourniture à la chambre de combustion. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de combinaison se compose d'un raccord en "T" dans le système d'alimentation en carburant ce raccord en "T" ayant une première entrée destinée a recevoir le flux de carburant et une seconde entrée destinée à recevoir le flux d'eau et en ce que les deux flux sont généralement normaux l'un à l'autre à leur point de confluence dans le raccord en "T" afin de produire un mélange par turbulence. 3. Procédé de réduction des émissions de NOx dans un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion dans laquelle un flux d'air sous pression est mélange avec du carburant et brûlé, et un système pour fournir du carburant à la chambre de combustion et des moyens pour combiner le carburant avec de l'eau dans le système d'alimentation en carburant afin de réduire la température à laquelle l'air est chauffé par la combustion du carburant, procédé caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à combiner des flux distincts de carburant et d'eau de telle sorte que les deux flux soient généralement normaux à leur point de confluence à l'intérieur du dispositif de combinaison pour produire un mélange par turbulence. 4. Procédé de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz, ayant une chambre de combustion dans laquelle un flux d'air comprimé est mélangé avec du carburant et brûlé, afin de réduire les émissions de non dans les produits de combustion, procédé caractérisé en ce qu' il comprend une étape de mélange du carburant avec de l'eau pour former une crème homogène avant la fourniture à la chambre de combustion réduisant ainsi la température à laquelle l'air est chauffé par la combustion du carburant et réduisant la séparation du carburant et de l'eau avant la combustion. 5. Procédé de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape qui consiste à combiner des flux séparés de carburant et d'eau dans un raccord en 11T" de telle sorte que les deux flux soient généralement normaux a leur point de confluence à l'intérieur du raccord en "T" pour produire un mélange par turbulence et ainsi former une crème homogène. 6. Procédé de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion dans laquelle un flux d'air comprimé est mélangé à du carburant et brûlé afin de réduire les émissions de NO5 dans les produits de combustion, procedé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de mélange de carburant avec de l'eau, d'accroissement du rapport eau-carburant jusqu'à obtention d'une consistance d'une crème homogène, et la fourniture de la crème homogène à la chambre de combustion. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de réduction du rapport eau-carburant une fois la crème formée, mais jusqu'à une valeur supérieure à celle pour laquelle le mélange perd sa consistance de crème homogène