Brevet FR2470249A1 — publié le 19810529

La présente invention concerne les circuits de carbu- rant de moteurs à turbine à gaz, en particulier de ceux pouvant fonctionner avec des carburants liquides et gazeux. Pour satisfaire aux conditions d'émission fixées par L'Office Américain de Protection de l'Environnement (ou United States Environmental Protection Agency - en abrégé E.P.A.), les constructeurs de turbines à gaz on fait de grands efforts en vue de réduire, entre au- tres, les émissions d'oxydes nitreux et nitriques de formule générale NOX o La présente invention vise principalement à réduire les émissions de tels oxydes dans les moteurs conçus pour fonctionner avec des car- burants liquides, tels que le kérosène et le carburant pour moteurs diesel, et avec les carburants gazeux, tels aue le méthane et le propane gazeux o Un procédé connu de réduction de l'émission de NOX consiste à faire brûler, dans la zone primaire de la chambre de combustion du moteur, un mélange gazeux riche, ayant par exemple un taux d'équivalence au moins égal à 1,3, puis à introduire tout l'air de dilution immédiatement en aval de la zone primaire et à le mélanger aussi ra- pidement que possible avec les gaz de combustion. Ce procédé s'appelle "rich burn rapid quench" (refroi- dissement rapide par combustion de mélange riche), et des essais ont révélé que l'ém.ission de NOx pouvait ainsi 8tre considérablement réduite avec le méthane et le propane gazeux, au moins jusqu'à un degré com- parible avec les prescriptions de l'EoP.Ao. L'application de ce procédé aux carburants liquides ne s'est pas révélée aussi avantageuse bien que, du point de vue de-la combustion et de la production de NOx, il y ait peu de différence entre le carburant liquide pour moteurs diesel et le propane gazeux. La présente invention a pour but de réaliser un procé- dé et un dispositif de préparation du carburant liqui- de dans un circuit d'alimentation en deux sortes de carburant de moteur à turbine à gaz, tels que les émis- sions de NOx produites par la combustion de carburants liquides soient comparables à celles produites par la combustion de carburants gazeux Selon un de ses aspects, l'invention réalise un procé- dé de combustion de carburant dans un moteur à turbine à gaz dans lequel l'alimentation en carburant comprend un carburant liquide, un carburant gazeux ou un mélange de carburants liquide et gazeux, procédé consistant à amener le carburant aux organes de combustion du moteur ne comportant que des brûleurs de carburant gazeux, le carburant liquide étant vaporisé extérieurement aux organes de combustion du moteur, la chaleur nécessaire à cette vaporisation étant obtenue en brûlant une frac- tion du carburant liquide, et le carburant liquide va- porisé étant amené aux organes de combustion du moteur Selon un autre de ses aspects, l'invention réalise un circuit d'alimentation en deux sortes de carburant de moteur à turbine à gaz comprenant des organes d'alimen- tation en carburant liquide et des organes d'alimenta- tion en carburant gazeux, les organes d'alimentation 24702A en carburant gazeux comportant des brleurs de carbu- rant gazeux placés dans les organes de combustion du moteur, les organes de carburant liquide comportant - un dispositif de vaporisation par combustion placé extérieurement aux organes de combustion du moteur et en communication de fluide avec les organes d'alimen- tation en carburant gazeux, le dispositif de vaporisa- tion par combustion étant disposé de façon à recevoir une fraction de l'air fourni par le compresseur du moteur et possédant des brûleurs de carburant disposés de façon à recevoir une fraction du carburant liquide, le reste du carburant liquide étant injecté dans le dispositif de vaporisation par combustion, et le car- burant liquide vaporisé pouvant alors pénétrer dans les organes d'alimentation en carburant gazeux Les organes d'alimentation en carburant gazeux pourront comporter4n conduit d'alimentation en carburant gazeux, une rampe de distribution de carburant gazeux, et des brûleurs de carburant gazeux placés dans la, ou les chambres de combustion du moteur. Le dispositif de vaporisation de carburant liquide pourra comporter une chambre de combustion équipée d'un brûleur à carburant liquide ayant des buses pi- lotes et des buses principales fonctionnant selon une certaine proportion du courant de carburant liquide, le reste du courant de carburant liquide étant injecté dans la chambre de vaporisation par combustion en aval du brleur de carburant liquide La chambre de vaporisation par combustion pourra rece- voir de l'air comprimé du moteur par une prise d'air 2470249. sur le compresseur du moteur et l'on pourra utiliser un compresseur d'appoint pour élever la pression de l'air ainsi fourni par le compresseur du moteur Les carburants liquide et gazeux pourront d'abord franchir un distributeur commun,sélecteur de carburant# réglementant l'écoulement de chaque carburant selon qu'on a besoin de carburant liquide, de carburant ga- zeux ou de mélange de carburant liquide et gazeux. De ce distributeur sélecteur de carburant, le carburant gazeux ira directement aux brûleurs de carburant gazeux tandis que le carburant liquide n'y parviendra qu'en passant par le dispositif de vaporisation par combus- tion du carburant liquide. Des organes de réglage d'écoulement d'air pourront être disposés en amont de la chambre de vaporisation par combustion en vue de régler le courant d'air parvenant à cette chambre selon la température du carburant li- quide vaporisé quittant ladite chambre On notera qu!un avantage supplémentaire de l'invention réside dans le fait qu'en aval de la chambre de vapo- risation par combustion le circuit de carburant est commun aux carburants initialement liquides et aux car- burants gazeux, sans besoin de tuyauteries et rampes d'alimentation séparées ni de brleurs spécialement conçus pour deux genres de carburant L'invention est décrite ci-après en détail en se réfé- rant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisa- tion représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma représentant l'agencement d'un moteur à turbine à gaz équipé d'un circuit d'a- limentation en deux sortes de carburant conforme à la présente invention la figure 2 est une coupe longitudinale de la chambre de vaporisation de carburant liquide de la figure 1 - la figure 3 est une coupe longitudinale du brûleur de carburant liquide de la chambre de vaporisation bar combustion de la figure 2; et - la figure 4 est une coupe longitudinale d'une des chambres de combustion du moteur à turbine à gaz de la figure 1. Le moteur à turbine à gaz 10p représenté à la figure 1, comprend un compresseur 12 entraîné depuis une turbine 14 par un arbre 16 L'appareillage de combustion 18, comprenant une série de chambres de combustion cylin- driques 20 dans un carter annulaire 22 munies chacune d'un brûleur de carburant 24, reçoit de l'air comprimé du compresseur 12 et du carburant d'un circuit d'ali- mentation en carburant 26, les produits de la combus- tion sortant des chambres de combustion pour entraîner la turbine 14. Le circuit d'alimentation en carburant 26 comprend un distributeur sélecteur de carburant liquide ou gazeux 28 disposé de façon à recevoir des carburants liquide et gazeux de leurs réserves respectives (non représen- tées), le carburant gazeux arrivant par un conduit 30 et par une rampe circulaire 32 entourant le carter an- nulaire 22 pour gagner les brûleurs 24, du type clas- sique des brûleurs à carburant gazeux, représentés à la figure 4 o 2470249 1 Du distributeur 28, le carburant liquide gagne un dis- tributeur de dosage de carburant liquide 34 divisant le carburant liquide en deux parties, l'une relative- ment petite gagnant un brûleur de carburant 36 d'une chambre de vaporisation par combustion de carburant liquide 38, tandis que le reste du carburant liquide pa:-'vient à cette chambre de combustion 38 en aval du brûleur 36. l'écoulement de carburant liquide vers le bretteur 36 est réglé par un groupe distributeur 40 contenant une soupape d'arrêt de carburant et une sou- pape de pressurisation (ancune de ces soupapes n'étant représentées). le groupe distributeur 40 comporte - deux sorties 42 et 44, la sortie 42 étant destinée à amener le carburant d'amorçage au brûleur 36, repré- senté plus en détail à la figure 3, tandis que la sor- tie 44 est destinée à lui amener le courant principal de carburant, la soupape de pressurisation s'ouvrant lorsque la pression du carburant est suffisante pour permettre l'écoulement du courant principal de carbu- rant L'arrivée d'air à la chambre de combustion 38 comprend une prise d'air sur le compresseur 12 du moteur et un compresseur d'appoint 46, entralné indépendamment ou depuis le moteur 10, pourra être monté dans le circuit d'arrivée d'air pour obtenir la pression d'air correcte à l'entrée de la chambre de combustion 38. Le débit d'arrivée d'air pourra être réglé par un dis- tributeur 48 commandé par un régulateur 50 de façon que ce distributeur 48 fonctionne selon la température des gaz en aval de la chambre de combustion 38, per- çue par un détecteur thermique 52, le régu1atetur 50 ouvrant le distributeur 48 pour augmenter l'arrivée d'air à la chambre de combustion 38 si la température est trop élevée, et vice versa La figure 2 montre que le brOleur de carburant 36 de la chambre de vaporisation par combustion de carburant liquide 38 est monté, à l'extrémité amont de cette chambre, dans une couronne d'ailettes de turbulence 54 placées dans un passage de section circulaire 56 L'air provenant du compresseur 12 pénètre dans la chambre de combustion 38 par le passage 56 et par dés orifices d'entrée 58 de la paroi de la chambre de com- bustion, via un espace annulaire 60 et des orifices (non représentés) dans une enveloppe externe 62 Comme on l'a précédemment mentionné, une faible propor- tion de carburant liquide passe par le brûleur 36 sous forme de carburant d'amorçage et de carburant princi- pal, le reste du carburant liquide étant injecté dans la chambre en aval du brûleur. Ce reste de carburant passe dans une rampe d'alimentation 64 et pénètre dans la chambre par une pluralité d'orifices d'injection 66. La figure 3 est une vue plus détaillée du brûleur de carburant liquide 36. Le carburant d'amorçage, arri- vant par le conduit 42, parvient à l'orifice pilote 68 par un conduit 70, un filtre 72, une rampe 74 et des orifices 76, tandis que le carburant principal, arri- vant par le conduit 44, parvient à un orifice principal annulaire 78 par un conduit 80, une rampe 82, des ca- neux 84, une seconde rampe 86, et des orifices 88 e Un capuchon 90 entoure l'extrémité du brûleur pour dirigersur l'orifice principal du brûleur, un courant 2470249 i d'air pénétrant par des ouvertures 92 en vue d'empêcher la formation de carbone. La figure 4 montre, plus en détail, l'une des chambres de combustion 20 du moteur à turbine à gaz. Cette chambre de combustion est du type dit "à refroidisse- ment rapide par combustion de mélange riche", précité, qui s'est révélé efficace pour la diminution des émis- sions de NO au cours de la combustion de carburants X gazeux. Le brleur 24, monté à l'extrémité amont de cette chambre est du type courant, dit "en salière" caractérisé par des buses 24a percées dans l'extrémité du brtleur dont elles constituent les seules ouvertures. L'air primaire pénètre à travers une couronne d'ailet- tes de turbulence 94 tandis que l'air secondaire, des- tiné à parfaire la combustion, pénètre par une série d'orifices secondaires 96. Les gaz de combustion sont presque immédiatement refroidis par l'air pénétrant par des orifices de refroidissement 98 placés assez près des orifices d'air secondaire 96. Le mélange ga- zeux de la zone primaire est riche en carburant, son taux d'équivalence n'étant pas inférieur à 1,3, et l'on a constaté que le refroidissement rapide des gaz de combustion presque immédiatement en aval de la zone primaire opérait une réduction, allant jusqu'à 50 %, des émissions de N0x pour un type particulier de mo- teur à turbine à gaz brftlant du méthane et du propane gazeux Revenant maintenant à la figure 1, le fonctionnement du circuit d'alimentation en carburant 26 est le sui- vant: 247O74! Lorsque le moteur 10 ne doit marcher qu'au carburant gazeux, le distributeur sélecteur 28 ne laisse que du carburant gazeux parvenir, par le conduit 30, aux brû- leurs 24 des chambres de combustion 20 du moteur Lorsque le moteur doit marcher au carburant liquide, le distributeur sélecteur 28 ferme l'accès du carbu- rant gazeux au conduit 30 et ouvre l'accès du carbu- rant liquide au distributeur doseur 34. Environ 3 % du courant total de carburant liquide parvient au brûleur 36 de la chambre de vaporisation par combus- tion 38, le reste étant injecté dans cette même cham- bre par les orifices d'injection 66. Environ 1 % de l'air fourni par le compresseur 12 du moteur est pré- levé à la sortie du compresseur et traverse le compres- seur d'appoint 46 qui, dans l'exemple représenté, a un un taux de compression de 1,1. De ce compresseur d'ap- point, l'air parvient à la chambre de vaporisation par combustion 38. La chaleur dégagée par la combustion des 3 % de carburant liquide est suffisante pour vapo- riser la fraction principale de carburant liquide et le carburant vaporisé passe dans le conduit 30 et gagne les brûleurs 24. Le carburant liquide pénètre donc dans les chambres de combustion "à refroidissement ra- pide par combustion de mélange riche" 20 sons forme de carburant effectivement gazeux et, par conséquent, avec l'avantage d'un carburant initialement gazeux en ce qui concerne les émissions de NOX. On constate- ra également que le dispositif de combustion selon la présente invention présente également les avantages d'un circuit classique d'alimentation de carburant et de brûleurs de carburant simples en comparaison des brûleurs compliqués connus pour deux carburants. 2470249 I Comme le taux du mélange gazeux du moteur 10 varie sur l'étendue de sa gamme de fonctionnement et au cours de conditions passagères, il est indispensable de pouvoir régler le courant d'air vers la chambre de vaporisation par combustion en vue d'agir sur la température du cou- rant gazeux sortant de ladite chambre 38. Le détecteur thermique 52 est placé en un point bien en aval de cet- te chambre 38, là o la réaction et le mélange sont, essentiellement, accomplis Le moteur 10 peut marcher exclusivement au carburant gazeux ou au carburant liquide, ou avec un mélange de ces carburants. Pour des raisons pratiques, si la proportion de carburant liquide tombe au dessous de %, le compresseur d'appoint 46 est arrêté et le distributeur régulateur d'air 48 fermé, le distribu- teur sélecteur 28 ne laissant passer que le carburant gazeux. Bien que l'invention ait été décrite en se basant es- sentiellement sur un dispositif de combustion à cham- bres dites tubannulaires (ou mixtes), elle est appli- cable également à d'autres dispositifs de combustion pour moteurs à turbine à gaz tels que ceux à chambre de combustion annulaire unique. 24702J REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation en. deux sortes de carburant pour moteur à turbine à gaz, caractérisé en. ce qu'il comporte des organes d'alimentation en carburant liquide et des organes d'alimentation en carburant gazeux, les organes d'alimentation en carburant gazeux comprenant des brûleurs de carburant gazeux (24) placés dans les organes de combustion du mo- teur, les organes d'alimentation en carburant li- quide comprenant des organes de vaporisation par combustion (38) disposés à l'extérieur des organes de combustion du moteur et en communication de fluide avec les organes d'alimentation en carburant gazeux, les organes de vaporisation par combustion étant disposés de façon à recevoir une fraction de l'air comprimé fourni par le compresseur (12) du moteur à turbine à gas et possédant des brûleurs de carburant (36) disposés de façon à recevoir une fraction du carburant liquide, le reste dudit car- burant liquide étant injecté dans lesdits organes de vaporisation par combustion (38) 2. Circuit de carburant selon la Revendication 1, ca- ractérisé en ce que les organes de vaporisation par combustion du carburant liquide comprennent une chambre de combustion (38) contenant un brûleur de carburant liquide (36) recevant une fraction du carburant liquide, le reste dudit carburant liquide étant injecté dans ladite chambre de vaporisation par combustion (38) en aval dudit brûleur (36). 247Oe49 1 3. Circuit de carburant selon la Revendication 2, ca- ractérisé en ce que la chambre de vaporisation par combustion (38) reçoit une fraction de l'air compri- mé fourni par le compresseur (12) du moteur à tur- bine à gaz. 4. Circuit de carburant selon la Revendication 3, ca- ractérisé en ce que ladite fraction d'air comprimé traverse un compresseur d'appoint (46) placé en amont de la chambre de vaporisation par combustion 5. Circuit de carburant selon une quelconque des Reven- dications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte des organes sélecteurs de carburant (28) appropriés à régler l'arrivée des carburants li- quide et gazeux aux organes de vaporisation par combustion (38) et aux brûleurs de carburant gazeux (24), respectivement. 6. Circuit de carburant selon la Revendication 5, ca- - ractérisé en ce qu'il comporte un distributeur do- seur de carburant liquide (34) en aval du distribu- teur sélecteur de carburants (28) et en amont des organes de vaporisation par combustion (38) 7. Circuit de carburant selon une quelconque des Reven- dications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte des organes de réglage d'écoulement d'air comprenant un distributeur (48) réglant la proportion d'air de compresseur du moteur amenée aux organes de vaporisation par combustion (38), des organes'régulateurs (50) actionnant ledit distributeur, et des organes détecteurs de tempéra- ture (52) placés en aval des organes de vaporisation par combustion (38), le fonctionnement des organes régulateurs (50) dépendant de la température perçue par lesdits organes détecteurs de température (52) à 8. Circuit de carburant selon une quelconque des Reven- dications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les organes de combustion (20) du moteur sont appropriés à brOIer du carburant dans la zone pri- maire à un taux d'équivalence au moins égal à 1,3 et en ce que l'air de dilution pénètre dans lesdits organes de combustion immédiatement en aval de la zone primaire O 9 Procédé de combustion du carburant dans un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce que l'alimenta- tion en carburant comprend un carburant liquide, un carburant gazeux, ou un mélange de carburants liquide et gazeux, ledit procédé consistant à ame- ner le carburant aux organes de combustion du mo- teur ne comportant que des brûleurs de carburant gazeux, le carburant liquide étant vaporisé à l'ex- térieur desdits organes de combustion du moteur, la chaleur nécessaire à ladite vaporisation étant obtenue en brûlant une fraction du carburant liqui- de, et le carburant liquide vaporisé étant amené auxdits organes de combustion du moteur.