Brevet FR2780488A1 — publié le 19991231

Amélioration aux appareils à combustion comportant plusieurs conduits de transport de comburant La présente invention est relative à une amélioration apportée aux appareils à combustion comportant plusieurs conduits de transport de comburant. Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication d'appareils de combustion à brûleurs, tels que des chaudières, générateurs de gaz chauds, fours ou autres.10 La présente invention s'applique aux appareils à combustion utilisant un ou plusieurs combustibles solides et/ou pulvérulents, ou bien fluides, qui comportent au moins un brûleur associé à au moins deux conduits coaxiaux de transport de comburant gazeux. La présente invention s'applique en particulier aux installations de cogénération d'énergie électrique et thermique dans lesquelles des gaz d'échappement de moteurs ou de turbines sont chauffés par un ou plusieurs brûleurs, en étant utilisés comme comburant, puis sont utilisés pour produire de la vapeur, de l'eau chaude ou des gaz chauds. La présente invention a pour objet de proposer un système amélioré de réglage du débit de comburant délivré aux brûleurs; la présente invention s'applique aux brûleurs équipés de plusieurs circuits ou conduits de comburant; dans de telles installations, un conduit central transporte un courant de comburant généralement dit primaire, qui entoure le nez du brûleur et s'étend coaxialement à celui-ci; un ou25 plusieurs autres conduits de section annulaire s'étendent autour du conduit central et transportent un flux ou courant de comburant dit secondaire et le cas échéant tertiaire. La combinaison de ces différents flux de comburant, dont la vitesse et l'orientation des jets de comburant résultants, sortant dans la chambre de combustion, doivent être maintenues dans des limites prédéterminées, permet de réaliser des installations de combustion performantes, et permet de contrôler la combustion, notamment la forme et la stabilité de la flamme, ainsi que la teneur des différents résidus de combustion, en particulier les résidus de formule Nox, CO dont la formation doit être limitée. Il est généralement prévu de régler le débit de comburant circulant dans un conduit à l'aide d'un ou plusieurs registres pivotants, par exemple essentiellement constitués par un volet plan pivotant selon un axe central contenu dans le plan du volet; ce type de registre présente des inconvénients, notamment en ce qui concerne ses dimensions qui sont élevées eu égard au débit de comburant admissible, et ses mauvaises performances en termes de stabilité et de linéarité; en outre, ces registres se prêtent mal à une installation en parallèle de plusieurs registres, en vue de régler un débit de comburant gazeux important et variable. La présente invention a pour objet de proposer un appareil à combustion équipé d'un système amélioré de réglage du débit de comburant. L'invention consiste à procurer un appareil à combustion qui comporte au moins un brûleur associé à au moins deux conduits de transport de comburant gazeux, qui comporte au moins deux registres cylindriques coulissants, pour permettre le réglage indépendant du débit respectif de comburant admis par des ouvertures annulaires et/ou disposées annulairement dans chacun desdits conduits de transport de comburant. De préférence, lesdits registres cylindriques sont coaxiaux, montés coulissants selon leur axe longitudinal commun, et sont de diamètre différent. Grâce à la présence de deux registres au moins, le réglage du débit de comburant circulant et/ou admis dans les conduits peut, d'une part s'effectuer indépendamment pour chaque conduit afin de maintenir des vitesses d'injection de comburant dans la chambre de combustion à des valeurs prédéterminées, et peut d'autre part être effectué plus précisément, sur une plus grande plage de variation du débit, et avec des pressions d'alimentation de comburant variables. Grâce à la forme cylindrique des registres et à la forme ou disposition annulaire des orifices d'entrée desdits conduits qu'ils peuvent obturer en tout ou partie, on peut obtenir dans les conduits une distribution homogène des vitesses et/ou des flux de comburant, et5 obtenir par conséquent une injection homogène, selon une symétrie de révolution autour de l'axe commun aux registres et aux conduits, des différents courants de comburant entrant dans la chambre de combustion, et ceci même lorsque le ou les comburants sont délivrés en amont des registres par un conduit non coaxial, en particulier par un10 conduit radial ou oblique (par référence audit axe de symétrie); ces résultats sont particulièrement faciles à obtenir à l'aide d'un montage mécanique simple, robuste, et stable dans toutes les positions de réglage, en prévoyant des registres en forme de viroles cylindriques coaxiales coulissantes selon leur axe commun, qui permettent d'assurer un15 écoulement homogène dans les conduits de comburant, en aval des registres, quel que soit le degré d'ouverture des registres. En prévoyant des registres cylindriques coulissants de diamètres différents, on peut obtenir facilement une structure qui, tout en étant compacte, permet l'écoulement d'un débit (ou courant) élevé de20 comburant, grâce au plus grand diamètre du registre externe et à la grande section de passage qu'il peut obturer; cette structure est en outre particulièrement adaptée à l'équipement de brûleurs, équipés chacun de deux ou trois conduits coaxiaux de transport de comburant, destinés à délivrer - par des buses ou des volets - des jets de comburant25 équilibrés, axiaux, convergents ou divergents, éventuellement tournants, dans la chambre de combustion. La compacité du montage peut être notamment optimisée en prévoyant un croisement (ou recouvrement ou superposition) des registres et/ou de leur mécanisme de support, de guidage et30 d'entraînement en translation, pour certaines positions d'ouverture; en particulier, ce recouvrement peut s'opérer en position d'ouverture de deux registres dont les directions des mouvements d'ouverture sont opposees. La compacité du montage associant deux ou trois registres (équipant deux ou trois conduits de comburant associés à un brûleur) est notamment optimisée en prévoyant des registres dont les diamètres sont tels que le rapport du diamètre du registre externe au diamètre du registre interne est inférieur ou égal à 2 (et supérieur à 1 sauf dans certains cas o les diamètres sont sensiblement identiques), en particulier de l'ordre de 1,3 à 1,6. Par diamètre, on entend les diamètres équivalents du profil transversal du registre, dans le cas o la section transversale des conduits de comburant et de leurs registres associés n'est pas de forme circulaire, mais par exemple de forme carrée ou rectangulaire. Un autre avantage procuré par l'invention est qu'elle permet, dans un appareil de combustion équipé de deux brûleurs (au moins) alimentés en comburant par un conduit unique, de régler facilement, précisément et de façon stable, généralement à une valeur identique s'il s'agit de brûleurs identiques, le débit de comburant délivré à chaque conduit de chaque brûleur, et permet donc de résoudre les difficultés inhérentes à un tel équilibrage des débits de comburant réglés par des registres disposés en parallèle. Selon un mode préférentiel de réalisation, l'un au moins des registres est muni de moyens d'étanchéité, en particulier de moyens interdisant le passage de comburant en position de fermeture du registre (et/ou limitant au maximum le débit de " fuite " dans cette position); ces moyens d'étanchéité comportent de préférence une couronne ou bride liée (ou fixée) au registre, par exemple faisant partie intégrante de celui- ci, à une extrémité longitudinale du registre; cette couronne est apte à venir sensiblement au contact d'une (ou en appui sur une) couronne (ou bride) fixe faisant partie de la structure de l'appareil, en position de fermeture du registre, pour fermer le passage vers le conduit aval de comburant; ces moyens d'étanchéité peuvent comporter un joint métallique déformable; ce joint métallique peut comporter ou être constitué par ladite couronne plane fixée au registre et s'étendant dans un plan transversal (par référence à l'axe longitudinal de symétrie du registre); en réalisant cette couronne dans une tôle de faible épaisseur, en particulier de l'ordre de 0,5 à 2 millimètres, cette couronne peut se déformer légèrement en appui sur la couronne fixe de la structure, ce qui permet d'assurer le contact de l'autre extrémité du registre, sur tout son périmètre, avec une deuxième paroi ou couronne fixe de l'appareil, ce qui permet par conséquent d'assurer une fermeture sensiblement étanche du registre par contact circonférentiel de ses deux extrémités longitudinales avec la structure fixe de l'appareil de combustion. Selon un autre mode préféré de réalisation, la structure du registre cylindrique est constituée d'une tôle mince, en particulier de l'ordre de 1 à 3 millimètres, par exemple roulée et soudée pour former une virole cylindrique de section circulaire, qui est munie d'un ou plusieurs renforts (ou raidisseurs) annulaires ou circonférentiels, qui rigidifient la structure du registre, ce qui permet d'obtenir un registre léger de construction simple; ce renfort peut être obtenu (ou constitué) par un pli ou une ondulation circonférentielle réalisée dans la tôle du registre; en variante, cette structure est actionnée manuellement. La présence des moyens d'étanchéité et de renfort présente des avantages considérables par rapport à la structure décrite dans le brevet FR 2.188.780. La structure cylindrique de ces registres permet en outre d'assurer une très grande section de passage, et donc une faible perte de charge. Cette structure particulière de registres coulissants multiples est particulièrement adaptée aux installations de chauffage de gaz de sortie de moteurs ou de turbines à gaz, dans des installations de cogénération. Dans ce type d'installation, on chauffe les gaz s'échappant du moteur ou de la turbine en provoquant leur combustion; en période de fonctionnement du moteur ou de la turbine, ces gaz comburants sont délivrés en grande quantité aux brûleurs à une température de l'ordre de 500 C; en période d'arrêt du moteur ou de la turbine, le brûleur est alimenté en air froid, en quantité nettement moindre; le système selon l'invention permet dans ce mode de fonctionnement, par la fermeture étanche de l'un des registres, de s'adapter à ces variations de mode de fonctionnement. Ce dispositif est également adapté aux brûleurs à étagement d'air dans lesquels une première partie de l'air de combustion est injectée au centre du brûleur, et l'autre partie est injectée par des buses ou par un espace annulaire coaxial au brûleur, sur un diamètre de l'ordre de 1,2 à 2 fois le diamètre du circuit intérieur; ces brûleurs sont destinés à réduire les émissions d'oxydes d'azote. Selon un mode préféré de réalisation, les moyens de support, de o10 guidage et d'entraînement en mouvement de chacun des registres cylindriques coulissants, sont constitués par une structure articulée, comportant de préférence au moins deux (en particulier trois) parallélogrammes de Watt, comme décrit dans le brevet FR 2.188.780 la structure articulée est de préférence actionnée par un vérin associé à chaque registre, et s'étend à l'extérieur et autour de la paroi cylindrique ou virole de chaque registre. Comme décrit dans ledit brevet, la structure en parallélogramme déformable liée au registre cylindrique par des articulations (ou pivots), est particulièrement adaptée pour supporter le registre exposé aux poussières et aux suies, en permettant un déplacement du registre sans contact ni frottement contre la structure fixe de l'appareil; comme décrit dans ce document, le système est essentiellement constitué de: - deux fourches sensiblement en forme de demi-arc de cercle disposées autour dudit registre et articulées chacune autour de deux pivots tourillonnant sur des axes fixes; - deux biellettes articulées reliant entre elles les deux extrémités des fourches situées du même côté du registre; - deux pivots diamétralement opposés, supportant ledit registre et placés au milieu desdites biellettes; - des moyens pour faire pivoter les deux fourches simultanément autour de leurs pivots et d'au moins un dispositif de guidage du registre formé de deux bras articulés autour de pivots fixes, les extrémités des deux bras étant reliées entre elles par une biellette articulée portant, en son milieu, un pivot fixé à l'extérieur dudit registre. Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre. La figure 1 illustre en vue en coupe transversale partielle un appareil de combustion équipé d'un brûleur associé à deux canaux de transport de comburant, chacun équipé d'un registre coulissant cylindrique. La figure 2 est une vue en perspective simplifiée du système de registre de la figure 1. La figure 3 illustre en vue en coupe transversale (et longitudinale) simplifiée l'application de l'invention à un brûleur associé à des moyens de recirculation des fumées de combustion. Par référence aux figures 1 et 2 en particulier, l'appareil 1 à combustion permet la production d'une flamme 2 dans une chambre de combustion 3 délimitée par des parois 4 en matériau réfractaire. Un orifice 5, par exemple cylindrique s'étendant selon l'axe 7 de symétrie générale du brûleur et de l'appareil de combustion, est prévu dans la paroi 4, à l'intérieur duquel s'étend le brûleur 6. Ce brûleur est associé à un conduit 8, s'étendant selon l'axe longitudinal 7 de symétrie, transportant un combustible (liquide ou pulvérulent) jusqu'au nez du brûleur, ainsi que le cas échéant des conduits 9 délivrant du gaz (tel que du gaz naturel ou du GPL par exemple). La paroi 4 comporte un deuxième orifice annulaire 10 qui délimite un conduit 11 de transport de gaz comburant au travers de la paroi 4. Une structure fixe constituée d'une virole cylindrique 13 d'axe 7 et d'une bride 14 essentiellement, délimite un conduit central 12 servant également à l'acheminement de comburant jusqu'au nez 6a du brûleur 6. L'appareil 1 comporte une chambre 15 séparée de la chambre 3 par la paroi 4, et dans laquelle s'étendent les conduits 8, 9 et une partie de la structure 14, 13 du brûleur, dans laquelle chambre 15 sont admis les gaz (ou l'air servant de comburant) qui sont délivrés par un conduit 16, selon un flux radial représenté par la flèche 17. L'appareil représenté figures 1 à 3 comporte un registre coulissant l0 cylindrique interne 21, qui est représenté en position d'ouverture maximale sur la figure 1 et en position intermédiaire sur la figure 3, et un registre coulissant cylindrique externe 19 représenté en position de fermeture sur les figures 1 et 3; ainsi, le registre 21 permet le passage selon la flèche 20 des gaz comburants dans le canal central 12 de transport de comburant jusqu'au nez du brûleur, tandis que le registre 19 interdit la circulation 18 de comburant vers le deuxième conduit ou canal il de transport du comburant jusque dans la chambre 3 de combustion, dans la position représentée figures 1 et 3. Le registre 21 monté coulissant selon l'axe 7, comme le registre 19, est sensiblement en forme de virole cylindrique de section circulaire, dont l'extrémité 21a peut venir par coulissement, en vue de la fermeture du passage 33, au contact d'une paroi 23 délimitant la chambre 15 et au travers de laquelle s'étendent les canalisations 8 et 9, ainsi que des bielles 24 d'entraînement en mouvement des registres 19 et 21. Le registre 19 est constitué d'une tôle roulée formant une virole cylindrique, munie (figure 1) en partie centrale d'une ondulation 19b pour la renforcer, s'étendant d'une première extrémité 19a en contact avec une bride 22 équipant la paroi 4 (en position de fermeture représentée figure 1), jusqu'à une deuxième extrémité (19d figure 2) ou elle est munie d'une tôle plane transversale 19c (figures 1 et 3) formant une bride ou couronne et venant en appui contre la bride 14 (faisant partie de la structure fixe de support du brûleur et de l'appareil de combustion) pour assurer une fermeture étanche dans cette position. Chacun des registres 19 et 21 est respectivement supporté, guidé et mis en mouvement par l'intermédiaire de bielles 27 et 29 (pour ce qui concerne le registre 19), lesquelles bielles 27 et 29 (en forme de fourche) sont liées par une articulation 27a, 29a à une biellette centrale 28 a laquelle est fixé le registre 19 par une articulation centrale 28a, pour former un parallélogramme de Watt, comme décrit dans le brevet susmentionné; deux parallélogrammes de Watt disposés symétriquement par rapport à un plan longitudinal médian, comme illustré figure 2 particulièrement, ainsi qu'un troisième parallélogramme de Watt 28, 34 servant de stabilisateur antirotation, forment le système de guidage du registre 19. Chacune des fourches 27, 29 en demi arc de cercle est articulée, grâce à deux pivots (disposés symétriquement de part et d'autre d'un plan longitudinal contenant l'axe 7 et l'axe de la tige 24 de commande) 27b (respectivement 29b), par rapport à des barreaux ou tiges support , partiellement représentés, qui sont liés à la structure fixe. La virole du registre 19 est ainsi suspendue aux trois pivots ou articulations 28a des trois biellettes 28; selon une alternative, la troisième biellette 28 du troisième parallélogramme 34, 28 peut être remplacée par un guide empêchant la rotation de la virole 19. Un système identique ou de plus faibles dimensions, comportant des bielles ou fourches 30 et 32 et une biellette centrale 31, permet de la même manière le support, le guidage et l'entraînement en mouvement du registre 21; les registres sont respectivement actionnes par deux verins 25 et 26, par l'intermédiaire d'une tige ou bielle 24 s'étendant au travers de la cloison 23, et munie d'une liaison articulée avec la fourche 27 (respectivement 30) commandée. Par référence à la figure 3, un dispositif similaire à double registre coulissant est utilisé dans un appareil à combustion équipé de moyens de recyclage de fumées, et d'un brûleur mixte. Un tel brûleur comprend un conduit central d'alimentation 12 en air primaire, des moyens d'injection 8 de combustible liquide dans le foyer 3 disposés à l'intérieur du conduit 12 central (dans l'axe de ce dernier), un stabilisateur de flamme 55 disposé coaxialement à l'intérieur de ce conduit central 12, et plusieurs orifices 63 d'alimentation en air secondaire situés à l'extérieur des moyens d'injection 8 de combustible liquide et du conduit 12; des moyens d'injection 9 de combustible gazeux sont disposés en couronne entre les moyens d'injection 8 de combustible liquide et les orifices 13 o10 d'alimentation en air secondaire; ceux-ci peuvent être remplacés par un passage 11 annulaire unique disposé en couronne à l'extérieur desdits moyens d'injection 9 et 8. L'appareil comporte un anneau 53, en matériau réfractaire comprenant l'ensemble des orifices d'alimentation en air, d'injection de combustible et de recirculation des fumées, qui est monté à travers la paroi réfractaire 4 du foyer 3 de telle façon que sa face avant 53, à travers laquelle débouchent lesdits orifices, soit en saillie par rapport à celle-ci. Les orifices 63 sont placés périphériquement en quinconce entre les orifices 74 d'aspiration des fumées dans le foyer 3; ces orifices 74 d'aspiration peuvent être remplacés par un seul passage annulaire périphérique, mais la présence d'orifices multiples placés en quinconce permet d'éviter de réaspirer l'air secondaire dans lesdits orifices d'aspiration de fumées et permet (réciproquement) d'éviter que cette alimentation d'air secondaire empêche lesdites fumées d'être aspirées (selon flèche 61) pour être recirculées dans la tête du brûleur; ces deux fluides s'échangent leurs calories à l'intérieur du brûleur, grace à une paroi 601 commune séparant: - d'une part un caisson 60 de distribution desdites fumées recirculées, alimenté d'un côté par les orifices d'aspiration 74 des fumées dans le foyer 3, et réinjectant celles-ci après refroidissement, dans des conduits 59 de réinjection dans le foyer, à travers lesquels débouchent également les moyens d'injection 9 du combustible gazeux, l1 - d'autre part, un caisson de distribution 64 de l'air secondaire, qui d'un côté est alimenté (flèche 18) par un conduit d'alimentation 16, après passage dans le registre 19, et d'un autre côté (après réchauffement de cet air secondaire) injecte celui-ci dans le foyer par les canaux 11 terminés par les orifices 63 définis précédemment. Les moyens d'injection 9 de combustible gazeux et les moyens de réinjection des fumées, qui sont de préférence coaxiaux et ont leurs orifices 9 confondus, sont situés en couronne périphérique autour du stabilisateur de flammes 55. Pour créer un étagement de l'arrivée d'air par rapport à la flamme du combustible liquide, les orifices d'injection de ce combustible ainsi que de ceux du combustible gazeux et d'alimentation en air primaire, débouchent au fond d'une cuvette 56; celle-ci est disposée en creux par rapport à la paroi réfractaire 53 qui l'entoure et à travers laquelle débouchent lesdits orifices 63 et sont aspirées également les fumées du foyer 2; la cuvette peut être en forme de tronc de cône. Les moyens d'injection 9 du combustible gazeux peuvent être des cannes d'alimentation séparées, disposées en couronne autour des moyens d'injection 8 du combustible liquide et situées dans le conduit 12 d'alimentation en air primaire, ou être remplacées par des buses montées sur un seul anneau disposé périphériquement en couronne autour du moyen d'injection 8 du combustible liquide, et alimentées par une seule canne d'alimentation. Les moyens d'injection 8 du combustible liquide peuvent comporter des orifices multiples, créant plusieurs flammes indépendantes dans le foyer 3 qui peuvent être soit dirigées parallèlement à l'axe 7 du brûleur, soit divergentes et orientées vers les orifices d'alimentation 63 en air secondaire pour améliorer la combustion dudit combustible liquide après une première phase de combustion avec l'air primaire. Le système de registres coulissants selon l'invention s'applique aussi avantageusement aux brûleurs décrits dans la demande EP 774 620, qui ne comportent pas de circuits de recirculation de fumées. REVENDICATIONS 1. Appareil (1) à combustion qui comporte au moins un brûleur (6) associé à deux conduits (11, 12) de transport de comburant gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte deux registres (19, 21) cylindriques coulissants. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel lesdits registres sont coaxiaux, montés coulissants selon leur axe (7) commun. 3. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdits registres sont de diamètre différent, le rapport du diamètre du registre externe au diamètre du registre interne étant inférieur ou égal à 2 et supérieur à 1. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'un au moins des registres est muni de moyens (19c) d'étanchéité. 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel les moyens d'étanchéité comportent une couronne mince fixée à une extrémité longitudinale du registre. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la structure du registre cylindrique comporte une tôle mince munie d'un ou plusieurs raidisseurs (19b) circonférentiels. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications i à 6, qui comporte des moyens de support, de guidage et d'entraînement en translation de chacun des registres cylindriques coulissants, lesquels moyens sont essentiellement constitués d'une structure articulée actionnée par un vérin (25, 26) associé à un registre, laquelle structure articulée s'étend à l'extérieur et autour de la paroi cylindrique ou virole de chaque registre. 8. Appareil selon la revendication 7, dans lequel ladite structure articulée comporte trois parallélogrammes de Watt. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications i à 8, dans lequel l'appareil de combustion comporte un conduit (16) d'entrée de comburant disposé en amont du registre, qui n'est pas axial, en particulier qui est orienté radialement par référence à l'axe longitudinal commun des conduits de comburant, des registres et du brûleur. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui comporte plusieurs brûleurs, chacun équipé de plusieurs conduits (19, 21) munis de registres cylindriques coulissants, lesquels brûleurs sont alimentés en comburant par un conduit (16) commun radial ou oblique.