Brevet FR2877053A1 — publié le 20060428

La présente invention se rapporte à un dispositif de combustion et en particulier, mais pas exclusivement, un dispositif de combustion sous la forme d'une tuyère de post combustion d'un moteur à turbine à gaz. Des instabilités induites par la combustion se produisent dans des tuyères de post combustion et d'autres dispositifs de combustion. Elles ont tendance à se produire sous une forme cyclique, et créent des variations de pression dans le débit d'écoulement du gaz à travers le dispositif de combustion. Les instabilités induites par la combustion peuvent donner naissance à des variations de la pression acoustique qui peuvent se combiner aux instabilités induites par la combustion de façon à les rendre plus importantes, avec des effets potentiellement dommageables sur la structure du dispositif de combustion. Afin de contrôler des instabilités de ce type induites par la combustion, le document GB 2 239 961 décrit un dispositif de combustion sous la forme d'une tuyère de post combustion comprenant une tuyère dans laquelle un écoulement de gaz est établi lors du fonctionnement, des moyens d'injection de carburant primaires étant prévus pour injecter du carburant dans la tuyère, et des moyens de régulation étant prévus pour commander les moyens d'injection de carburant primaires, les moyens de régulation comprenant une soupape qui a pour fonction, en réponse à des variations de pression dans la tuyère, de dérouter du carburant des moyens d'injection de carburant primaires. Il est courant pour le carburant injecté vers une tuyère de post combustion d'un moteur de turbine à gaz d'être injecté à partir d'une pompe par le biais d'un système de dosage. Le système de dosage peut réguler le débit d'écoulement du carburant de façon à ce qu'il satisfasse certaines exigences de fonctionnement comme, par exemple, une puissance en sortie requise, mais il ne peut pas répondre assez rapidement pour réguler le débit d'écoulement de carburant en réponse à des variations de pression. Ces variations de pression peuvent généralement avoir une fréquence pouvant atteindre 120 Hz. En voie de conséquence, des systèmes de régulation du type de celui qui est décrit dans le document GB 2 239 961 ont tendance à utiliser des soupapes de décharge comme la soupape actionnable en réponse aux variations de pression. Une soupape de décharge extrait une proportion du carburant qui s'écoule entre le système de dosage et les moyens d'injection de carburant primaires, ne laissant passer que la proportion restante à l'intérieur du dispositif de combustion qui doit être allumé. Cependant, la gestion du carburant extrait cause des problèmes. Le carburant extrait peut simplement être déchargé mais, si ceci est inacceptable, des systèmes de récupération et de stockage sont nécessaires, sous la forme de pompes, de réservoirs de collecte et de leur système de tuyauteries associé. Dans bien des cas, le carburant extrait ne peut pas être renvoyé vers les moyens d'injection de carburant primaires dans la mesure où il y a un risque qu'il soit contaminé, par exemple, par du fluide hydraulique extrait de la pompe d'injection de carburant principale et du système de dosage. Selon la présente invention, des moyens d'injection de carburant secondaires sont prévus en amont des moyens d'injection de carburant primaires par rapport à la direction de l'écoulement du gaz, les moyens d'injection de carburant secondaires, lors du fonctionnement, recevant le carburant dérouté des moyens d'injection de carburant primaires par la soupape. Les moyens de régulation comprennent de préférence un transducteur de pression qui est exposé à la pression à l'intérieur de la tuyère. Les moyens de régulation peuvent servir à réduire l'injection de carburant vers les moyens d'injection de carburant primaires pendant des périodes où la pression augmente, qui sont détectées par le transducteur de pression. Une régulation supplémentaire des instabilités induites par la combustion peut être réalisée si le carburant dérouté, injecté par les moyens d'injection de carburant secondaires, atteint la position axiale des moyens d'injection de carburant primaires pendant des périodes où la pression se réduit à l'intérieur de la tuyère. À titre d'exemple, les moyens d'injection de carburant secondaires peuvent être disposés à une certaine distance en amont des moyens d'injection de carburant primaires, qui se situe dans la plage de 0,5 m à 1 m ou, de façon plus préférentielle, dans la plage de 0,6 m à 0,8 m. Ainsi, des instabilités induites par la combustion peuvent être régulées en réduisant le volume de chaleur d'entrée lors de pics de pression en réduisant l'injection de carburant par les moyens d'injection de carburant primaires, et en augmentant le volume de chaleur d'entrée lors de creux de pression en augmentant l'injection de carburant par les moyens d'injection de carburant secondaires. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le dispositif de combustion est une tuyère de post combustion d'un moteur à turbine à gaz qui comprend une conduite de dérivation, et les moyens d'injection de carburant secondaires sont disposés à l'intérieur de la conduite de dérivation. Pour permettre de mieux comprendre la présente invention et de démontrer avec une plus grande clarté 15 comment celle-ci peut être mise en pratique, référence va maintenant être faite, au moyen d'un exemple, aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un moteur de turbine 20 à gaz pourvu d'une tuyère de post combustion; et la figure 2 est une vue sous forme de diagramme, à une échelle agrandie, d'une partie de la tuyère de post combustion du moteur de la figure 1. Le moteur représenté sur la figure 1 comprend un carter 2, dont l'extrémité aval définit une tuyère servant de tuyère de post combustion 4. Le carter 2 abrite un ventilateur 6 et un centre moteur 8 (comprenant un étage de compresseur, des chambres de combustion et un étage de turbine). Une conduite de dérivation 10 est disposée entre le carter 2 et le centre moteur 8. Lors du fonctionnement, un écoulement d'air, qui est produit par le ventilateur 6, passe à travers la conduite de dérivation 10. La tuyère de post combustion 4 se situe en aval du centre moteur 8, et reçoit des produits de combustion depuis le centre moteur 8 et de l'air depuis la conduite de dérivation 10. La tuyère de post combustion 4 comprend des moyens d'injection primaires 12 de carburant et une structure de stabilisateur de flamme 14. Les moyens d'injection primaires 12 de carburant peuvent comprendre une rangée de barres de pulvérisation de carburant, qui peuvent, ou non, être ravitaillées séparément en carburant, et la structure de stabilisateur de flamme 14 peut comprendre des éléments annulaires ou radiaux ayant un profil qui diverge dans la direction aval, par rapport à la direction de l'écoulement de gaz à travers le moteur. Du carburant est envoyé vers les barres de pulvérisation 12 à partir d'une pompe et d'un système de dosage, qui sont désignés globalement en 16. Une soupape de décharge 18 est disposée à l'écart par rapport à la ligne directe entre la pompe et système de dosage 16 et les moyens de pulvérisation 12, et elle est raccordée de telle sorte que, lorsqu'elle s'ouvre, elle déroute une proportion de l'écoulement depuis la pompe et le système de dosage 16 vers des moyens d'injection secondaires 20 de carburant. Les moyens d'injection secondaires 20 de carburant peuvent comprendre un unique injecteur de carburant, ou bien une pluralité d'injecteurs de carburant répartis autour du moteur. Comme représenté sur la figure 1, les moyens d'injection secondaires 20 de carburant sont disposés de façon à injecter du carburant à l'intérieur de la conduite de dérivation 10. La soupape de décharge 18 est commandée par un régulateur 22 qui reçoit des signaux de pression depuis un transducteur 24 exposé à la pression à l'intérieur de la 5 tuyère de post combustion 4. Lors du fonctionnement de la tuyère de post combustion 4, du carburant est envoyé vers les moyens de pulvérisation 12 depuis la pompe et le système de dosage 16. Bien que le débit d'écoulement du carburant injecté par la pompe et le système de dosage 16 puisse être amené à varier de façon à satisfaire les exigences de puissance du moteur, ce type de variation se produit relativement lentement et, pour les besoins de la présence description, on peut supposer que le rendement de la pompe et du système de dosage 16 est constant. Le carburant est atomisé dès qu'il émerge hors des moyens de pulvérisation 12, et il est mélangé aux gaz de combustion dégagés par le centre moteur 8 et l'air fourni par la conduite de dérivation 10. Les stabilisateurs de flamme 14 établissent un motif d'écoulement souhaité à l'intérieur de la tuyère de post combustion 4, et le mélange de carburant, d'air et de gaz de combustion est mis à feu pour créer une flamme dans une zone de combustion 26 en aval des stabilisateurs de flamme 14. Le dégagement de chaleur durant le processus de combustion crée des ondes de pression acoustique qui peuvent venir se combiner à des instabilités induites par la combustion de façon à fournir une réponse en contre- réaction qui peut conduire à des variations de pression d'une ampleur suffisante pour provoquer des dommages structurels aux composants de la tuyère de post combustion 4 ou à d'autres composants du moteur ou de la cellule. Comme cela a été décrit dans le document GB 2239 961, une régulation active de la combinaison entre des ondes de pression acoustique et des instabilités induites par la combustion peut être réalisée par une réduction intermittente de l'écoulement du carburant vers les moyens de pulvérisation 12, synchronisée aux variations de pression et présentant une relation de phase appropriée. Ceci est réalisé au moyen de la soupape de décharge 18 qui s'ouvre pour dérouter le carburant par rapport aux moyens de pulvérisation 12 en réponse à un signal envoyé par le régulateur 22, qui contient un algorithme de régulation qui permet de définir la relation de phase correcte. Le régulateur 22 reçoit des signaux du transducteur 24, qui indiquent la pression instantanée à l'intérieur de la tuyère de post combustion 4 à l'endroit où se trouve le transducteur 24, qui est disposé au niveau ou près de la zone de combustion 26. De ce fait, la soupape de décharge 18 sert à réduire le débit d'écoulement de carburant vers les moyens de pulvérisation 12 de façon à réduire l'énergie dégagée par la combustion lorsque des pics de pression se produisent durant le cycle de variation de la pression. Ceci sert à amortir les variations de la pression acoustique. Selon la présente invention, le carburant dérouté par la soupape de décharge 18 est envoyé vers les moyens d'injection de carburant secondaires qui se présentent sous la forme de l'injecteur unique, ou des injecteurs 20. Comme cela est représenté sur la figure 1, l'injecteur 20 est placé à l'intérieur de la conduite de dérivation 10, mais d'autres positions alternatives sont possibles. Par exemple, sur la figure 2, l'injecteur 20 est représenté situé juste en aval du ventilateur 6 et adjacent au centre moteur 8. En raison de l'ouverture intermittente ou pulsée de la soupape de décharge 18 qui est commandée par le régulateur 22, le carburant injecté par l'injecteur 20 est lui aussi pulsé et il est déchargé à l'intérieur de la conduite de dérivation 10 par "paquets" sensiblement au même moment que la réduction se produit dans le débit d'écoulement du carburant déchargé à partir des moyens de pulvérisation 12. Comme le "paquet" de carburant injecté par l'injecteur 20 est déchargé en amont des moyens de pulvérisation 12, ce "paquet" atteint la zone de combustion 26 quelque temps après la réduction correspondante d'écoulement du carburant à partir des moyens de pulvérisation 12. En sélectionnant de façon adéquate la distance X entre l'injecteur 20 et les moyens de pulvérisation 12, il est possible pour le "paquet" de carburant injecté par l'injecteur 20 d'atteindre la zone de combustion 26 à un moment où la pression dans la zone de combustion 26 se situe au niveau de, ou se rapproche de sa valeur la plus basse durant le cycle de variation de la pression. De ce fait, le carburant injecté par l'injecteur 20 sert à augmenter la chaleur dégagée lors de creux qui se produisent durant le cycle de variation de la pression, de façon à procurer un amortissement supplémentaire des variations de la pression acoustique. La distance X varie d'un moteur à un autre, en fonction du débit d'écoulement des gaz à travers le moteur et, en particulier, à travers la conduite de dérivation 10, ainsi qu'en fonction de la fréquence des fluctuations de pression qui se créent à l'intérieur de la tuyère de post combustion 4. Pour un moteur type, il a été établi qu'une distance adéquate X est de 0,7 m environ, bien qu'il soit noter que, pour des moteurs différents, la distance peut varier, par exemple à l'intérieur de la plage qui va de 0,5 m à 1 m, ou de 0,6 m à 0,8 m. Il est à remarquer que la présente invention propose un moyen d'amortir des variations de pression à l'intérieur de la tuyère de post combustion 4 en réduisant l'écoulement de carburant à travers les moyens de pulvérisation 12 et, partant, en réduisant le volume de chaleur dégagé lorsque la pression est à son niveau le plus élevé, et en augmentant le dégagement de chaleur, au moyen du carburant injecté par l'injecteur 20, lorsque la pression est à son niveau le plus bas. Par ailleurs, le problème de la gestion du carburant dérouté par la soupape de décharge 18 par rapport aux moyens de pulvérisation 12 est solutionné en fournissant ce carburant à l'injecteur 20. Bien que la présente invention ait été décrite dans le contexte de la tuyère de post combustion 4 d'un moteur de turbine à gaz, elle peut également être mise en oeuvre dans d'autres dispositifs de combustion où une combinaison entre des ondes de pression acoustique et des instabilités induites par la combustion peut se produire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de combustion comprenant une tuyère (2) dans laquelle un débit d'écoulement d'un gaz est établi lors du fonctionnement, des moyens d'injection primaires (12) de carburant étant prévus pour injecter du carburant dans la tuyère, et des moyens de régulation (18, 22, 24) étant prévus pour commander les moyens d'injection primaires (12) de carburant, les moyens de régulation comprenant une soupape (18) qui a pour fonction, en réponse à des variations de pression dans la tuyère, de dérouter du carburant des moyens d'injection primaires (12) de carburant, caractérisé en ce que des moyens d'injection secondaires (20) de carburant sont prévus en amont des moyens d'injection primaires (12) de carburant par rapport à la direction de l'écoulement du gaz, les moyens d'injection secondaires (20) de carburant, lors du fonctionnement, recevant le carburant dérouté des moyens d'injection primaires (12) de carburant par la soupape (18). 2. Dispositif de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent un transducteur de pression (24) qui répond à la pression dans la tuyère (2). 3. Dispositif de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de régulation ont pour fonction de réduire le débit d'écoulement du carburant vers les moyens d'injection primaires (12) de carburant de façon synchronisée avec des pics dans la pression variable 11 à l'intérieur de la tuyère (2). 4. Dispositif de combustion selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'injection secondaires (20) de carburant sont disposés de telle sorte que le carburant dérouté par rapport aux moyens d'injection primaires (12) de carburant et déchargé par les moyens d'injection secondaires (20) de carburant atteint la position axiale des moyens d'injection primaires (12) de carburant lors de creux dans la pression variable à l'intérieur de la tuyère (2). 5. Dispositif de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance (X) entre les moyens d'injection primaires (12) de carburant et les moyens d'injection secondaires (20) de carburant n'est pas de moins de 0,5 m, et pas de plus de 1 m. 6. Dispositif de combustion selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance (X) n'est pas de moins de 0,6 m, et pas de plus de 0,8 m. 7. Dispositif de combustion selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes, comprenant une tuyère de post combustion pour un moteur de turbine à gaz. 8. Dispositif de combustion selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'injection secondaires (20) de carburant sont disposés de façon à injecter le carburant vers une conduite de dérivation (10) du moteur à turbine à gaz.