Brevet FR2510657A1 — publié le 19830204

La présente invention concerne le système d'alimentation en carburant d'une turbine à gaz et, en particulier, un dispositif destiné à améliorer le démarrage de la turbine. S La présente invention a pour but de résoudre un problème que pose le démarrage d'une turbine dans une chambre de combustion de type annulaire compre- nant plusieurs ajutages à carburant doubles équidis- tants qui acheminent le carburant dans la chambre de combustion Dans le contexte de la présente demande de brevet, l'expression "ajutage double" désigne un ajutage à carburant simple renfermant à la fois un système d'écoulement primaire et un système d'écoule- ment secondaire, chacun de ces systèmes étant appelé "ajutage primaire" et "ajutage secondaire", respecti- vement Dans une construction de brûleur de ce type, par exemple, celle représentée par la turbine modèle "JT 9 D" fabriquée par le "Pratt & Whitney Aircraft Group" de la "United Technologies Corporation", qui est la Demanderesse de la présente, les ajutages à car- burant sont identiques l'un à l'autre et chacun d'eux distribue pratiquement la même quantité de carburant à la chambre de combustion Spécifiquement, dans un ajutage double, l'ajutage primaire peut être mis en service d'un bout à l'autre de l'enveloppe opératoire de la turbine et il distribue, par exemple, 75 % de car- burant au régime de ralenti et 10 % lors du décollage. L'ajutage secondaire est spécifiquement utilisé unique- ment au cours des man'oeuvres exigeant une plus forte poussée et il distribue 30 % de la quantité totale de carburant au régime de ralenti et 90 % lors du décolla- ge l'écoulement total de carburant est dosé par une commande de carburant et il est distribué, par une sou- pape de dérivation, en direction des collecteurs de carburant qui communiquent avec ces ajutages. D)ans une turbine à gaz classique telle que le modèle précité "JT 9 D", l'écoulement total de car- burant au démarrage ( 270-3 b O kg par heure) est fourni à tous les ajutages à carburant et, ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, la distribution est égale à tra- vers tous les ajutages Le carburant est spécifique- ment atomisé par pression ou gazéifié et mélangé à l'air pour former un mélange combustible La combus- tion est amorcée en exposant ce mélange à un allumeur à haute énergie qui reste en action pendant une pério- de donnée, au moins jusqu'à ce que la combustion ait lieu. En raison des limitations mécaniques existant à l'intérieur de la chambre de combustion et de la tur- bine, par exemple, lors d'un démarrage à des tempéra- tures qui ne sont pas optima (par exemple, par temps froid) ou lorsque la conception de l'ajutage et de l'allumeur peuvent ne pas être optima, l'opérateur peut déclencher l'admission de quantités accrues de carburant pour assurer le démarrage Dans de telles conditions, les temps de démarrage ont tendance à s'al- lon Lgwu ut le carburant a tendance à s'accumuler ou à former des flaques dans la chambre de combustion en donnant lieu, par conséquent, à des démarrages à chaud inopportuns avec une tendance à des risques accrus de calage du compresseur. La Demanderesse a trouvé que l'on pouvait amé- liorer l'incidence et les temps de démarrage en trans- formant, en un système asymétrique, un système d'injec- tion de carburant à ajutages par ailleurs symétriques dans une chambre de combustion annulaire Suivant l'invention, on envisage un système dans lequel des li- miteurs d'écoulement simples sont incorporés à tous les ajutages primaires qui ne sont pas localisés à l'allu- meur, les autres ajutages primaires restant intacts (non restreints) Dès lors, dans un système existant, les caractéristiques de démarrage sont améliorées par simple adjonction de limiteurs d'écoulement à des en- droits judicieux; par exemple, dans un système à allu- meur double, 18 ajutages sur 20 sont restreints, ce qui permet d'utiliser le matériel existant sans devoir modi- fier le débit de carburant requis, ainsi que ses sys- tèmes de dosage et de distribution. D'autres moyens permettant d'obtenir un dé- marrage optimum sont envisagés dans le cadre de la pré- sente invention, par exemple, une obturation d'un nom- bre limité d'ajutages primaires, une modification des caractéristiques d'écoulement des ajutages localisés à l'allumeur, et analogues L'aspect important de la 1 S présente invention réside dans le fait que la quantité de carburant distribuée à l'allumeur pour obtenir des caractéristiques de démarrage optima est préalablement établie, tandis que le carburant provenant du système distribuant un débit de carburant déjà établi est re- distribué en un type d'écoulement asymétrique afin d'ob- tenir la quantité prédéterminée requise de carburant à l'ajutage de l'allumeur. Le système décrit ci-dessus sert à limiter la quantité de carburant dans les ajutages restreints, tout en augmentant cette quantité dans les ajutages non restreints La quantité de carburant sélectionnée dans les ajutages non restreints est préalablement éta- blie pour assurer un démarrage optimum Dès lors, la dimension du limiteur d'écoulement est prédéterminée 3 ( pour obtenir le débit nécessaire dans l'ajutage non restreint. lin objet de la présente invention est de four- nir un dispositif de démarrage perfectionné pour une turbine à gaz du type comportant une chambre de combus- tion annulaire Une caractéristique de la présente in- vention consiste à établir la quantité de carburant nécessaire pour alimenter l'allumeur en vue d'un dé- marrage optimum, puis redistribuer, en un écoulement asymétrique, le carburant acheminé aux ajutages, afin d'obtenir la quantité présélectionnée Une autre ca- ractéristique consiste à modifier le type d'écoulement de carburant dans les ajutages primaires d'un système d'injection de carburant double, de telle manière que chaque ajutage non associé à un allumeur renferme un limiteur disposé en amont Ce système est caractéri- sé en ce qu'il permet de modifier simplement un maté- riel existant, en ce qu'il est relativement peu coc- teux et en ce qu'il permet de réaliser tous les ajuta- ges à carburant de manière identique. D'autres caractéristiques et avantages appa- ra tront à la lecture de la spécification et des reven- dications ci-après, en se référant aux dessins annexés qui illustrent une forme de réalisation de l'inven- tion et dans lesquels: la figure 1 est une vue partielle en partie en élévation et en partie en coupe illustrant schémati- quement une chambre de combustion annulaire spécifique comportant un ajutage à carburant double avec un sys- tème de carburant primaire et secondaire; et la figure 2 est une vue schématique illus- trant la relation existant entre les ajutages à carbu- rant et l'allumeur dans un système de combustion spé- cifique. Bien que, dans sa forme de réalisation préfé- rée, la présente invention soit utilisée avec une cham- bre de combustion annulaire pour une turbine à gaz dans laquelle 20 ajutages à carburant doubles sont espacés symétriquement dans le dôme de cette chambre de combus- tion, l'emplacement et le nombre de ces ajutages à car- burant ne constituent pas une limitation du cadre de 1 'invention 11 suffit de mentionner que l'inven- tion résout les problemes de démarrage qui se posent dans une chambre de combustion annulaire à écoule- nient de carburant homogène dans un système d'ajuta- ges à carburant doubles Le procédé permettant d'obtenir de meilleures caractéristiques de démarrage dans un système de ce type consiste à établir préala- blement la quantité de carburant qui doit être dis- tribuée à l'allumeur pour les conditions souhaitées en vue d'un démarrage optimum Dès que cette valeur est établie et connaissant la quantité totale devant être dosée par le système de carburant de chaque aju- tage, le type de distribution symétrique peut 8 tre transformé en un type de distribution asymétrique as- surant l'écoulement de la quantité de carburant néces- sairedans l'ajutage à carburant primaire associé à l'allumeur Dans le contexte de la présente spécifi- cation, l'ajutage localisé pour distribuer le carbu- rant nécessaire à l'allumeur est appelé "ajutage à carburant d'allumeur", tandis que les autres sont ap- pelés "ajutages non associés à l'allumeur". Comme le montrent les figures 1 et 2, la cham- bre de combustion qui y est illustrée et désignée d'une manière générale par le chiffre de référence 10, est définie par un organe annulaire extérieur 14 de cons- truction classique à ouîes, ainsi que par l'organe an- nulaire intérieur à ouîes 12 monté concentriquement et espacé radialement de cet organe 14 L'extrémité avant (par rapport à l'écoulement des produits de com- bustion) est fermée par un dôme 10 dans lequel sont m 6- nagées vingt ouvertures espacées circonférentielle- ment 20 destinées à recevoir les vingt ajutages à car- burant 22 (dont un est illustré en figure 1) convenable- ment supportés par le carter de diffuseur 26 L'extré- mité avant est fermée de la manière habituelle par un capot 24 fixé aux organes annulaires intérieur et ex- térieur Les détails de la chambre de combustion et des ajutages associés sont omis dans la présente spé- cification pour des raisons de simplicité, mais on peut les obtenir en se référant à la description de la turbine modèle "JT 9 D" dont question ci-dessus. Il suffit de mentionner que chaque ajutage à carburant 22 fait partie du système d'alimentation de carburant double qui distribue continuellement le carburant via l'ajutage primaire pendant tout le cycle opératoire de la turbine et via l'ajutage secondaire uniquement aux régimes exigeant une plus forte poussée. Spécifiquement et comme illustré dans les dessins, des chambres de combustion de ce type comportent deux allumeurs 30 qui sont également disponibles dans le commerce avec, dans le présent exemple, un rapport se situant généralement dans l'intervalle allant de 0,5 à 1,0 entre la hauteur du dôme et la distance axiale à l'ajutage. Suivant la présente invention, un limiteur ap- proprié 32 est monté dans dix-huit des canalisations de carburant primaire 34 (dont une est représentée) en amont de la sortie de l'ajutage primaire Les cana- lisations de carburant secondaire 36 (dont une est re- présentée) restent inchangées Dès lors, dans cette forme de réalisation préférée et comme le montre la figure 2, les deux ajutages à carburant occupant les positions A et B restent inchangés, tandis que les aju- tages primaires des dix-huit ajutages à carburant res- tants occupant les autres positions qui ne sont pas en alignement avec les allumeurs, sont tous modifiés en ce sens qu'ils comportent des limiteurs 32 montés en amont. Dans un essai réel dans lequel on utilise un système d'ajutages à carburant homogène existant débi- tant 13,b kg de carburant/heure par ajutage, systè- me qui a été modifié par l'incorporation de dix-huit passages de limitation d'écoulement, l'allumage opti- mum a été établi lorsque l'ajutage à carburant d'allu- S meur a débité 23,5 kg de carburant/heure En limi- tant simplement l'écoulement vers les dix-huit ajuta- ges primaires non associés à l'allumeur pour réduire le débit à environ 12,7 kg/heure, une quantité accrue de carburant s'écoule dans les ajutages de l'allumeur sans qu'aucune autre modification soit apportée au système. Evidemment, étant donné que l'écoulement de carburant primaire constitue seulement 10 % de l'écou- lement total au cours d'un fonctionnement à grande puissance, cette modification n'exerce pratiquement au- cune influence sur le rendement et la perte de charge. Au régime de ralenti auquel l'écoulement de carburant primaire constitue un important pourcentage de l'écou- lement total, soit 50-75 %, la configuration des passa- ges de limitation d'écoulement exerce une importante influence favorable sur le fonctionnement de la turbi- ne On a constaté qu'un tel système permettait de rac- courcir les temps de démarrage, tout en réduisant au minimum les risques de démarrage à chaud et de calage du compresseur. Il est entendu que l'invention n'est pas limi- tée aux formes de réalisation particulières illustrées et décrites ici, diverses modifications pouvant y être apportées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nouveau concept tels qu'ils sont définis par les reven- dications ci-après. R Ii VEINI)1 CAT 10 NS 1 Turbine à gaz comportant une chambre de combustion annulaire et un système d'alimentation en carburant comprenant plusieurs ajutages doubles espa- cés circonférentiellement pour acheminer le carburant dans la chambre de combustion, chaque ajutage compor- tant un système de carburant primaire assurant l'écou- lement continu du carburant vers la chambre de combus- tion d'un bout à l'autre de l'enveloppe opératoire de la turbine, ainsi qu'un système de carburant secondai- re assurant l'écoulement de carburant uniquement aux régimes à plus forte poussée de l'enveloppe opératoire de la turbine, au moins un allumeur monté dans la cham- bre de combustion annulaire et auquel est associé un des ajutages à carburant doubles en vue d'y acheminer une quantité prédéterminée de carburant pour le démar- rage de la turbine, ainsi qu'un élément destiné à as- surer une distribution asymétrique d'une quantité pré- déterminée de carburant à chacun des ajutages, de tel- le manière que le système de carburant primaire de l'ajutage double associé à l'allumeur reçoive une quantité de carburant différente de celle fournie à tous les autres systèmes de carburant primaire de l'en- semble des autres ajutages doubles. 2 Turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un limiteur d'écoulement fixe est prévu dans chacun des systèmes de carburant primai- re qui ne sont pas associés à l'allumeur et qui sont disposés en amont de ce dernier. 3 Turbine à gaz suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre de combustion com- prend deux allumeurs disposés à des endroits prédéter- minés par rapport aux ajutages à carburant doubles, deux ajutages à carburant doubles acheminant directe- ment le carburant à chacun de ces allumeurs. 4 Procédé de mise en marche d'une turbine à gaz du type comprenant une chambre de combustion an- nulaire, ainll Si que plusieurs ajutages à carburant doubles disposés symétriquement autour de la circon- férence de cette chambre de combustion, chaque aju- tage à carburant double comprenant un système de car- burant primaire et un système de carburant secondaire recevant une quantité de carburant donnée, ce procédé comprenant les étapes qui consistent a: exciter électriquement l'allumeur pendant une pé- riode prédéterminée afin de déterminer l'écoulement optimum de carburant acheminé à l'allumeur à partir d'au moins un des ajutages doubles, redistribuer cette quantité donnée de carburant à l'ensemble des systèmes de carburant primaire de tous les ajutages à carburant doubles pour fournir la quantité de carburant déterminée au départ de l'étape précédenlte, et exciter à nouveau l'allumeur avec la quantité prédéterminée de carburant pour assurer le démarrage de la turbine. Procédé suivant la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comprend également l'étape qui con- siste à assurer l'écoulement du carburant vers chacun des ajutages à carburant primaire non associés à l'al- lumeur, via un limiteur d'écoulement fixe.