Brevet FR2504654A1 — publié le 19821029

La présente invention se rapporte à des chambres de combustion de turbine à gaz et, en particulier, à une nouvelle chambre de combustion perfectionnée qui a un niveau réduit d'émission d'oxydes d'azote (No X). Des produits polluants indésirables, tels que des oxydes d'azote (N Ox), sont fréquemment engendrés au cours du fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz Les oxydes d'azote sont produits à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur par suite de la combustion qui y est faite du mélange combustible-air Il est souhaitable pour la sauvegarde de l'environnement et il est exigé par certains règlements administratifs de réduire la quantité d'oxydes d'azote produite à des bas niveaux. Certaines configurations de chambre de combustion se sont avérées réduire les émissions de NOX à des niveaux acceptables. Cependant, elles sont également complexes et d'une construction onéreuse Par exemple, les chambres de combustion utilisant l'injection d'eau sont efficaces pour réduire les émissions de N Ox mais elles nécessitent l'emploi de réservoirs, de pompes à eau et de tubuluresde distribution d'eau Les chambres de combustion à deux étages, à combustion pauvre, sont également efficaces pour réduire les émissions de NO mais de telles chambres de combustion sont également complexes et onéreuses. Une autre configuration de chambre de combustion qui peut réduire les émissions de N Ox est la chambre de combustion à deux richesses La chambre de combustion à deux richesses type comprend deux zones de combustion, une zone riche et une zone pauvre séparées par une zone de refroidissement rapide ou de trempe Dans la zone de trempe de l'air est mélangé aux gaz de chambre de combustion "riches" afin d'appauvrir les gaz lorsqu'ils entrent dans la zone pauvre Par "riche" on entend que les gaz ont un rapport d'équivalence combustible-air supérieur à 1; par "pauvre" on entend que les gaz ont un rapport d'équivalence combustible- air inférieur à 1 Le taux de production de N Ox pendant la combustion des gaz de la chambre de combustion aussi bien dans la zone riche que dans la zone pauvre est relativement faible Cependant, le taux de production de NOX dans la zone de trempe, dans laquelle les gaz de la chambre de combustion sont l'objet d'une transition d'un état riche à un état pauvre, est relativement élevé Etant donné que le taux de production des oxydes d'azote est fonction du temps, plus le temps, que, dans une chambre de combustion à deux richesses, les gaz de chambre de combustion passent dans la condition de transition de la zone de trempe est court, plus la quantité de N Ox produite est faible. Les chambres de combustion à deux richesses actuelles utilisent des agencements de trempe qui ont tendance à prolonger le temps nécessaire pour diluer les gaz de chambre de combustion d'un état riche à un état pauvre Par exemple, la distance de pénétration des jets, ou distance que l'air de trempe doit parcourir entre les trous de trempe formés dans les parois de la zone de trempe et le centre de la zone de trempe, est relativement grande dans un grand nombre des chambres de combustion actuelles L'air de trempe doit ainsi parcourir une distance relativement grande pour se mélanger complètement avec les gaz de chambre de combustion et, de ce fait, le temps nécessaire pour réduire le rapport d'équivalence combustible-air à un état pauvre est accru. Par voie de conséquence, pour donner aux jets d'air de trempe une énergie suffisante pour qu'ils parcourent la plus grande distance de pénétration des jets, la chambre de combustion doit utiliser des trous de trempe de grand diamètre plutôt que des trous de petit diamètre Du fait des limitations structurales et des limitations d'encombrement, le nombre des trous de trempe qui peuvent être utilisés est réduit lorsque les trous ont un grand diamètre plutôt qu'un petit diamètre. Le petit nombre de trous de grand diamètre est moins efficace pour effectuer un mélange rapide de l'air de trempe avec les gaz de chambre de combustion que ne le serait un grand nombre de trous de petit diamètre et, ainsi, le temps nécessaire pour réduire le rapport d'équivalence combustible-air des gaz de la chambre de combustion à un état pauvre est accru. Par conséquent, la plus grande distance de pénétration des jets et le plus petit nombre des trous de trempe de grand diamètre se traduit par la production d'une plus grande quantité de NO pendant la combustion. x Certains agencements de chambre de combustion à deux richesses utilisent des zones de trempe annulaires Un tel agencement permet à l'air de trempe d'entrer dans la zone de trempe par des trous de trempe formés à la fois dans la paroi radialement intérieure et dans la paroi radialement extérieure de l'espace annulaire Cependant, la hauteur annulaire de la zone de trempe reste relativement grande, ce qui nécessite l'emploi de trous de grand diamètre pour assurer un mélange intérieur Il en résulte que la production de N Ox reste relativement élevée. Par conséquent, compte-tenu des problèmes ci-dessus, l'un des buts de la présente invention est de réduire la quantité de N Ox produite à l'intérieur d'une chambre de combustion à deux richesses en réduisant la hauteur annulaire de la zone de trempe à l'intérieur de la chambre de combustion et en réduisant ainsi le temps requis pour la trempe. Un autre but de la présente invention est de réduire la quantité de NO produite dans une chambre de combustion en x - accroissant le nombre des trous de trempe dans la zone de trempe de la chambre de combustion et en réduisant ainsi le temps de trempe. La présente invention a ainsi pour objet une chambre de combustion pour un moteur à turbine à gaz La chambre de combustion est agencée concentriquement autour d'un axe et comprend un premier étage annulaire, un second étage de forme générale cylindrique disposé en aval du premier étage et un conduit annulaire disposé entre les premier et second étages qui assure la communication entre les deux étages Le conduit comporte une série de trous de trempe pour réduire le rapport d'équivalence combustible-air des gaz de combustion pendant qu'ils s'écoulent dans le conduit Le conduit est disposé de telle sorte que la distance radiale de l'axe à la paroi radialement intérieure du conduit est plus grande que la distance radiale de l'axe à la paroi radialement intérieure du premier étage Cet agencement favorise une réduction rapide du rapport d'équivalence combustible-air des gaz de combustion et il est, de ce fait, efficace pour réduire la quantité d'oxydes d'azote (N Ox) produite pendant la combus- tion. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les parois radialement intérieures du premier étage et du conduit sont formées par un corps central essentiellement creux De l'air de trempe peut ainsi être injecté dans le conduit à travers la paroi radialement intérieure ainsi qu'à travers la paroi radialement extérieure du conduit. La suite de la description se réfère aux Figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1: Figure 2: Figure 3: Figui la Fi d' une La cl une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une chambre de-combustion qui comporte-des caractéris- tiques de la présente invention; une vue de l'extrémité amont de la chambre de combustion, prise suivant les lignes 2-2 de la Figure 1; un graphique représentant le taux de formation d'oxydes d'azote calculé pour divers rapports d'équivalence du mélange combustible-air; :e 4: une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une chambre de combustion comportant des caractéristiques de la présente invention. On se référera maintenant au dessin et en particulier à gure 1 sur laquelle on a représenté un mode de réalisation chambre de combustion 10 pour un moteur à turbine à gaz. iambre de combustion 10 est agencée approximativement concentriquement autour d'un axe longitudinal représenté par la ligne 12 en traits mixtes La chambre de combustion comprend un premier étage annulaire 14, un second étage 16 de forme générale cylindrique disposé en aval du premier étage 14 et un conduit annulaire 18 disposé entre les premier et second étages 14 et 16 Le conduit 18, qui constitue la zone de trempe de la chambre de combustion, assure la communication entre les premier et second étages et est agencée de telle sorte que la totalité des gaz chauds qui sortent du premier étage doit passer dans le conduit pour entrer dans le second étage. Du combustible et de l'air sont mélangés et brûlés dans la chambre de combustion 10 et du travail est extrait des gaz chauds résultants Par exemple, les gaz chauds peuvent être guidés de façon à s'écouler sur les aubes d'une turbine (non représentée) pour faire tourner la turbine. Le combustible et l'air pour la combustion sont introduits dans la chambre de combustion 10 par son extrémité amont Un exemple de moyens utilisables pour injecter le combustible et l'air a été représenté sur les Figures 1 et 2 Plusieurs coupelles de turbulence 20 sont disposées autour de l'extrémité amont de la chambre de combustion 10 Des tubes 22 injecteurs de combustible introduisent du combustible dans les coupelles de turbulence 20 De l'air à haute pression refoulé par le compresseur (non représenté) s'écoule dans les coupelles de turbulence 20 dans lesquelles il se mélange avec le combustible. Le mélange combustible-air entre ensuite dans la chambre de combustion 10 dans laquelle il est brûlé Naturellement, on peut utiliser de nombreux autres agencements qui sont également satisfaisants pour introduire du combustible et de l'air dans la chambre de combustion de la présente invention et l'agencement représenté sur les Figures 1 et 2 n'a été donné qu'à titre d'exemple. Comme on peut le voir sur la Figure 1, le premier étage 14 et le conduit 18 comprennent tous deux des parois radialement intérieures 24 et, respectivement, 26 et des parois radialement extérieures 28 et, respectivement, 30 Le second étage 16 comporte une paroi radiale 32 De préférence, les parois radialement extérieures 28 et 30 du premier étage 15 et du conduit 18 et la paroi radiale 32 du second étage 16 sont formées par une chemise 34 de forme générale cylindrique qui s'étend sur la quasi-totalité de la longueur de la chambre de combustion 10 Les parois radialement intérieures 24 et 26 du premier étage 14 et du conduit 18 sont, de préférence, formées par un corps central 36 qui est disposé concentriquement autour de l'axe 12 Le corps central 26 peut avoir une forme voulue quelconque Un exemple d'une telle forme a été représenté sur la Figure 1, dans lequel le corps central 36 s'étend, à partir de son extrémité amont, approximativement axialement parallèlement à l'axe 12 puis diverge en direction de la chemise 34 et délimite, de ce fait, avec elle le premier étage 14 Le corps central s'étend ensuite axialement, pour délimiter, avec la chemise 34, le conduit 18 Le corps central converge alors en direction de l'axe 12 pour former une paroi amont 38 du second étage 16. Pour des raisons que l'on expliquera ci-après, le conduit 18 est disposé de telle sorte que la distance radiale de l'axe 12 à la partie radialement intérieure, c'est-à-dire la paroi radialement intérieure 26, du conduit 18 est plus grande que la distance radiale de l'axe 12 à la partie radialement intérieure, c'est-à-dire la paroi radialement intérieure 24, du premier étage 14 En outre, il est préférable que la hauteur annulaire du conduit 18, c'est-à-dire la distance radiale entre la paroi radialement intérieure 26 et la paroi radialement extérieure 30, soit inférieure à la hauteur annulaire du premier étage 14, c'est-à-dire la distance radiale entre la paroi radialement intérieure 24 et la paroi radialement extérieure 28 Au surplus, dans la configuration représentée sur la Figure 1, la distance radiale de l'axe 12 à la paroi radialement extérieure 30 du conduit 18 n'est pas inférieure à la distance radiale de l'axe 12 à la paroi radialement extérieure 28 du premier étage 14. Pour des raisons que l'on expliquera également ci-après, le conduit 18 comprend une série de trous de trempe formés à travers au moins l'une de ses parois Comme on peut le voir sur la Figure 1, de nombreux trous de trempe 40 traversent la paroi radialement extérieure 30 du conduit 18 De préférence, le corps central 36 est essentiellement creux et il comporte une extrémité amont ouverte 42 de telle sorte qu'il peut recevoir un courant d'air introduit par son extrémité amont. La partie du corps central 36 qui forme la paroi radialement intérieure 26 du conduit 18 est traversée par une série de trous de trempe 44 En outre, la partie aval du corps central 36 qui forme la paroi amont 38 du second étage comporte de préférence au moins un trou de dilution 48. Il est également formé autour de l'extérieur de la chemise 34 un passage d'air, qui est délimité par la chemise 34 de forme générale annulaire et par le carter 50, pour alimenter en air les trous de trempe formés dans la paroi radialement extérieure 30 du conduit 18. L'agencement de chambre de combustion décrit ci-dessus est habituellement appelé une chambre de combustion à deux richesses Du combustible est introduit dans le premier étage par les tubes 22 d'injection de combustible et est mélangé avec une quantité relativement petite d'air provenant des coupelles de turbulence 20 Le rapport d'équivalence combustible- air, c'est-à-dire le rapport combustible/air effectif divisé par le rapport combustible/air stoechiométrique, est supérieur à 1, et le premier étage 14 est, de ce fait, souvent appelé l'étage "riche" Les gaz partiellement brûlés s'écoulent vers l'aval dans le conduit 18 o une nouvelle quantité d'air, appelée air de trempe, est mélangée avec les gaz La combustion est achevée dans le second étage dans lequel on peut introduire une nouvelle quantité d'air de dilution Le rapport d'équivalence combustible-air est inférieur à 1 dans le second étage et, de ce fait, on appelle souvent le second étage 16 l'étage "pauvre". Sur la Figure 3 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté un graphique montrant le taux de formation calculé d'oxydes d'azote (NOX) en fonction du rapport d'équivalence combustible-air pour diverses conditions de mélange initiales. Comme on peut le voir sur ce graphique, le taux de formation de NOX est faible pour les rapports d'équivalence combustible- air élevés et faibles Par exemple, le point A représente approximativement le rapport de richesse dans le premier étage 14 Le point B représente approximativement le rapport de richesse dans le second étage 16 Comme on peut le voir, le taux de formation de NOX tant dans le premier étage 14 que dans le second étage 16 est relativement faible. Cependant, le graphique de la Figure 3 montre également qu'aux rapports d'équivalence combustible-air intermédiaires le taux de formation de NO est élevé Par exemple, le x point C du graphique représente le rapport d'équivalence approximatif des gaz de combustion pendant qu'ils sont dans le conduit 18 qui constitue la zone de trempe de la chambre de combustion pendant la transition du rapport d'équivalence élevé au bas rapport d'équivalence Comme on peut le voir, le taux de formation de N Ox dans le conduit 18 est élevé. La chambre de combustion 10 de la présente invention est agencée pour tremper rapidement ou injecter rapidement de l'air supplémentaire dans les gaz de chambre de combustion pendant qu'ils passent dans le conduit 18, ce qui réduit ainsi rapidement le rapport de richesse La quantité de NO formée sera d'autant plus faible que le rapport d'équivalence des gaz de la chambre de combustion pourra être diminué rapidement du point A au point B du graphique de la Figure 3 et que le temps o le rapport d'équivalence sera au voisinage du point C sera court. Comme représenté sur la Figure 1 à laquelle on se référera à nouveau, l'air de trempe est injecté dans le conduit 18 par les trous de trempe 40 formés dans la paroi radialement extérieure 30 du conduit et également, de préférence, par les trous de trempe 44 formés dans la paroi radialement intérieure 26 du conduit. Les dimensions particulières des premier et second étages 14 et 16 de la chambre de combustion 10 nécessitent que le conduit 18 ait une surface de section transversale d'écoulement, ou section de passage particulière afin d'optimiser le rendement de la chambre de combustion La chambre de combustion de la présente invention comporte un conduit "étranglé" qui a une section de passage réduite par rapport à celle du premier étage 14 On peut conserver cette section de passage du conduit 18 et diminuer cependant la hauteur annulaire du conduit en accroissant la distance radiale de la paroi radialement intérieure 26 du conduit à l'axe 12 En d'autres termes, plus le diamètre du conduit annulaire 18 est grand moins la hauteur annulaire du conduit doit être grande pour conserver une section de passage constante. Comme précédemment décrit, la chambre de combustion 10 de la présente invention comporte un conduit 18 ayant un diamètre relativement grand et, par conséquent, une hauteur annulaire relativement petite L'avantage d'une petite hauteur annulaire est que l'air de trempe qui est injecté par les trous de trempe 40 et 44 dans le conduit 18 a une distance à parcourir, ou distance de pénétration, plus courte pour se mélanger complètement avec les gaz de combustion, et que, par conséquent, l'air de trempe se mélange plus rapidement En outre, lorsque la distance de pénétration nécessaire est plus courte, les trous de trempe et 44 peuvent avoir un plus petit diamètre Par conséquent, pour un conduit 18 ayant des dimensions données quelconques, on peut répartir un nombre de petits trous de trempe plus important que ceci ne serait le cas si l'on utilisait des grands trous de trempe, autour des parois radialement intérieure et extérieure 26 et 30 du conduit Le plus grand nombre des petits trous favorise un mélange plus rapide de l'air de trempe avec les gaz de combustion Enfin, étant donné que le conduit 18 est étranglé, la vitesse des gaz de combustion s'accroit lorsque les gaz s'écoulent à partir du premier étage 14 dans le conduit Cet accroissement de vitesse tend à produire un mélange plus rapide de l'air de trempe avec les gaz de combustion. Le mélange rapide de l'air de trempe avec les gaz de combustion provoque une transition rapide des gaz de combustion d'un rapport de richesse élevé, ou mélange riche, à un rapport d'équivalence combustible-air faible, ou mélange pauvre. Comme on peut le voir sur la Figure 3, à laquelle on se référera à nouveau, une transition plus rapide du point A au point B signifie que les gaz de combustion restent moins longtemps au voisinage du point C du graphique et que, par conséquent, la quantité de N Ox produite est plus faible. Sur la Figure 4 à laquelle on se référera, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention Le mode de réalisation 54 de la chambre de combustion est également une chambre de combustion à deux richesses qui est similaire à la chambre de combustion 10 représentée sur la Figure 1 sauf en ce qui concerne les formes de la chemise extérieure et du corps central La chambre de combustion 54 est agencée approximativement concentriquement autour d'un axe longitudi- nal 56 et comporte un premier étage annulaire 58, un second étage 60 de forme générale cylindrique et un conduit annulaire 62 qui constitue la zone de trempe et qui assure la communication entre les premier et second étages La chambre de combustion 54 comporte une chemise 64 et un corps central 66 qui délimitent entre eux les premier et second étages 58 et 60 et le conduit 62, la chemise et le corps central étant traversés par des trous de trempe 67 et, respectivement, 69. La hauteur annulaire du conduit 62 est inférieure à la hauteur annulaire du premier étage 58 et la distance radiale de l'axe 56 à la paroi radialement intérieure 68 du conduit 62 est supérieure à la distance radiale de l'axe 56 à la paroi radialement intérieure 70 du premier étage 56. Cependant, dans cette configuration, la chemise 64 est formée de telle sorte que la distance radiale de l'axe 56 à la paroi radialement extérieure 72 du conduit 62 est inférieure à la distance radiale de l'axe 56 à la paroi radialement extérieure 74 du premier étage 58 Cet agencement résulte du fait que la chemise extérieure 64 est formée de telle sorte que sa partie qui délimite le premier étage 58 est radialement élargie vers l'extérieur par rapport à la partie qui délimite le conduit 62 et le second étage 60 De même, la partie du corps central 66 qui délimite le premier étage 58 peut être formée de façon à s'élargir radialement vers l'intérieur Cette forme radialement élargie permet au premier étage 58 d'être plus court axialement que ne l'est le premier étage de la configuration représentée sur la Figure 1 La longueur totale de la chambre de combustion 54 est, par conséquent, proportionnellement plus courte que la longueur totale de la chambre de combustion représentée sur la Figure 1 Ainsi, il peut être souhaitable d'utiliser la configuration représentée sur la Figure 1 lorsque la chambre de combustion employée doit être plus courte. La partie du corps central 66 située en aval du conduit 62 est formée de façon à favoriser un écoulement efficace des gaz de combustion dans le second étage 60 Par exemple, comme on peut le voir sur la Figure 4, le corps central peut être axialement allongé convergeant vers l'axe 56 avec une pente relativement douce Cependant, il est bien entendu que l'on peut modifier la forme du corps central de la manière voulue pour la rendre plus particulièrement appropriée pour les conditions de fonctionnement qui seront rencontrées dans la chambre de combustion. La chambre de combustion 54 fonctionne et sert à réduire les émissions de N Ox de la même manière que la chambre de combustion 10 du premier mode de réalisation, et, par conséquent, on ne répétera pas cette partie de la description. REVENDICATIONS 1 Chambre de combustion ( 10; 54) agencée concentriquement autour d'un axe ( 12; 56) caractérisée en ce qu'elle comporte: a) un premier étage annulaire ( 14; 58) délimité par des parois radialement intérieure et extérieure ( 24, 28; 70, 74) et comportant des moyens ( 20, 22) pour y injecter du combustible et de l'air b) un second étage ( 16; 60) de forme générale cylindrique délimité par une paroi radiale ( 32; 76) et disposé en aval du premier étage; et c) un conduit annulaire ( 18; 62) délimité par des parois radialement intérieure et extérieure ( 26, 30; 68, 72) et assurant la communication entre les premier et second étages, le conduit comprenant une série de trous de trempe ( 40, 44; 67, 69) formés dans au moins l'une de ses parois, ce conduit étant disposé de telle sorte que la distance radiale dudit axe à la paroi radialement intérieure du conduit est plus grande que la distance radiale dudit axe à la paroi radialement intérieure du premier étage. 2 Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la hauteur annulaire du conduit ( 18; 62) est inférieure à la hauteur annulaire du premier étage ( 14; 58). 3 Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que les parois radialement intérieure ( 24, 26; 70, 68) du premier étage et du conduit sont formés par un corps central ( 36; 66). 4 Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que le corps central ( 36; 66) est essentiellement creux pour recevoir un courant d'air qui le traverse et en ce que la partie de corps central qui forme la paroi radialement intérieure ( 26; 68) du conduit est percée d'une série de trous de trempe ( 44; 69). Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie aval ( 38) du corps central ( 36; 66) est traversée par un moins un trou de dilution ( 48). 6 Chambre de combustion selon la revendication 5, caractérisée en ce que la partie aval ( 38) du corps central forme une paroi amont du second étage ( 16). 7 Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisée en ce que le second étage ( 16) comporte une paroi radiale ( 32) et en ce que la paroi radiale du second étage et ces parois radialement extérieures ( 28, 30) du premier étage ( 14) et du conduit ( 18) sont formées par une chemise ( 34) de forme générale cylindrique. 8 Chambre de combustion selon la revendication 7, caractérisée en ce que la chemise ( 34) comporte une série de trous de trempe ( 40) qui sont répartis autour de la chemise à l'emplacement adjacent au conduit ( 18). 9 Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que la distance radiale de l'axe ( 12) à la paroi radialement extérieure ( 30) du conduit ( 18) est au moins égale à la distance radiale dudit axe à la paroi radialement extérieure ( 28) du premier étage ( 14). Chambre de combustion selon la revendication 9, caractérisée en ce que le corps central ( 36) est formé de telle sorte qu'à partir de son extrémité amont, il s'étend dans l'ensemble axialement puis diverge vers la chemise ( 34) pour délimiter le premier étage qu'il s'étend ensuite axialement pour délimiter le conduit ( 18) puis converge vers l'axe pour délimiter la paroi amont ( 38) du second étage ( 16). 11 Chambre de combustion selon la revendication 5, caractérisée en ce que la distance radiale de l'axe ( 56) à la paroi radialement extérieure ( 72) du conduit ( 62) est inférieure à la distance radiale dudit axe à la paroi radialement extérieure ( 74) du premier étage ( 58).