Brevet FR2920829A1 — publié le 20090313

B07-1466FR - JT/PG Société en nom collectif dite : GE Energy Products France SNC Système d'admission d'air pour compresseur de turbine, et procédé associé. Invention de : Sébastien CLOAREC Alexis SESMAT Liberto GANDIA 2 Système d'admission d'air pour compresseur de turbine, et procédé associé. La présente invention concerne le domaine général des machines de production d'énergie électrique comprenant des systèmes à combustion interne, et notamment les turbines à gaz. Plus particulièrement, la présente invention concerne un système d'admission d'air pour compresseur de turbine à gaz. Classiquement, une turbine à gaz comporte un système d'admission d'air, un compresseur, un système de combustion interne, une turbine de détente reliée mécaniquement au compresseur, et un conduit pour le rejet des gaz d'échappement. L'hétérogénéité des processus de combustion dans la turbine à gaz a pour effet de générer des émissions d'oxydes d'azote NOS particulièrement nocives dont il convient de diminuer le rejet dans l'atmosphère. La principale composante des oxydes d'azote formés provient de la réaction de flamme entre l'azote et l'oxygène contenu dans l'air. Or, le taux de formation d'oxydes d'azote augmente avec la température de flamme. Dans le cas de turbines à gaz alimentées en gaz naturel, on peut fortement abaisser la température de combustion en mélangeant le gaz naturel et l'air en amont de chambres de combustion. Ainsi, on injecte un mélange pauvre qui produit une température de flamme faible, ce qui permet de réduire fortement les émissions d'oxydes d'azote NOS. Toutefois, la formation d'un tel mélange en amont des chambres de combustion n'est utilisable qu'à partir d'un certain niveau de température de flamme correspondant à une forte charge de la turbine à gaz. En effet, aux basses températures, il existe des 3 risques d'instabilité et de formation excessive de monoxydes de carbone CO imbrûlés. De manière à étendre cette méthode de combustion à de faibles charges de la turbine à gaz, on peut recourir à une technique consistant à augmenter artificiellement la température de flamme, à charge constante. Ceci est rendu possible en réduisant le débit d'air traversant la turbine à gaz. Pour ce faire, on commande une fermeture graduelle d'aubes à orientation variable disposées en amont du compresseur de la turbine à gaz. Cependant, la faible ouverture des aubes provoque une détente de l'air, ce qui produit une formation de givre sur celles-ci. Pour s'affranchir de ces problèmes liés à la détente de l'air, il est possible d'extraire une partie de l'air chaud sortant du compresseur de la turbine à gaz pour le réinjecter en amont de ce dernier. Dans ces conditions, il est toutefois nécessaire d'avoir un champ de températures homogène en entrée du compresseur. En effet, toute hétérogénéité cause des déséquilibres au sein des étages du compresseur, ce qui a pour effet un vieillissement prématuré et une distribution non homogène de l'air à la sortie de celui-ci. Ces hétérogénéités sont donc susceptibles de perturber la combustion et le fonctionnement de la turbine à gaz. Ainsi, on conçoit qu'il soit nécessaire d'obtenir un mélange extrêmement uniforme de l'air réinjecté à l'admission du compresseur. A cet égard, il est possible d'utiliser des systèmes d'injection tel que celui décrit dans le brevet américain US 5, 666, 479. Ce système comporte un collecteur principal sur lequel est disposée une pluralité de buses composées chacune de plusieurs perçages. I1 est également possible d'utiliser un système d'injection tel que celui décrit dans le document US 2005/0102995. 4 On connaît encore, par les brevets américains US 5, 560, 195 et US 6, 027, 304, des systèmes d'admission d'air comportant une conduite d'admission à l'intérieur de laquelle sont disposés un filtre à air, des baffles de silencieux, et des moyens d'injection d'air chaud issu du compresseur placé soit en amont dudit filtre, soit en aval des baffles. Les systèmes d'injection de l'état de la technique antérieure possèdent comme inconvénients d'être relativement encombrants et de fabrication complexe. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, la présente invention vise à prévoir un système d'admission d'air pour compresseur de turbine à gaz qui soit particulièrement efficace et économique. La présente invention a également pour but de prévoir un système particulièrement simple à transporter, à monter et à remplacer. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un système d'admission d'air pour compresseur d'une turbine à gaz comprenant une conduite d'admission de section variable pour l'alimentation en air de la turbine, et un moyen d'injection de l'air d'extraction issu du compresseur monté dans la conduite d'admission et comprenant un tube pourvu d'un pluralité d'éléments calibrés pour décharger l'air issu du compresseur dans la conduite d'admission. Selon une caractéristique générale, le moyen d'injection est monté dans une partie de petite section de la conduite d'admission. La demanderesse a déterminé que la disposition du moyen d'injection de l'air chaud issu du compresseur dans une partie de petite section de la conduite d'admission véhiculant l'air frais permet d'obtenir un mélange homogène avant son introduction dans le compresseur. En effet, il a été déterminé que la disposition du moyen d'injection dans la partie de la conduite d'admission qui possède une section de passage réduite favorise l'obtention d'un mélange présentant une distribution de températures homogène. Dans un mode de réalisation, le moyen d'injection est monté en aval d'une portion coudée de la conduite d'admission, en considérant le sens de circulation de l'air. Cette disposition est particulièrement avantageuse dans la mesure où les conduites d'admission traditionnellement utilisées présentent une section de passage décroissante après la portion coudée. De préférence, le système comprend un unique tube. Ceci est rendu possible par la disposition du moyen d'injection dans la partie de petit diamètre de la conduite d'admission. Avantageusement, les éléments calibrés sont espacés les uns par rapport aux autres dans le sens longitudinal du tube et disposés selon au moins deux rangées. Les deux rangées peuvent être radialement opposées. La section de passage des éléments calibrés peut être définie par la relation suivante : S KxPxCd Qx-N/T' dans laquelle : K représente une constante, Q représente le débit massique de l'air issu du compresseur en kg/s, T représente la température de l'air issu du compresseur en K, P représente la pression absolue en Pa, et Cd représente le coefficient de décharge des éléments calibrés. 6 De préférence, le système comprend un moyen d'amortissement de bruit disposé dans la conduite d'admission immédiatement en amont du moyen d'injection. Pour obtenir le montage du moyen d'injection à l'intérieur de la conduite d'admission, le système comprend une bride pour la fixation d'une extrémité du tube et un support apte à permettre des dilatations et contractions thermiques de l'extrémité opposée dudit tube. Pour permettre un déplacement relatif du tube et du support lors de dilatations et de contractions thermiques, le tube peut comprendre également des guides coopérant avec des encoches du support. Selon un second aspect, l'invention concerne également un système de mélange de fluides comprenant une conduite d'admission de section variable, i.e. présentant des dimensions différentes, véhiculant un premier fluide et un moyen d'injection d'un second fluide comprenant un tube pourvu d'une pluralité d'éléments calibrés pour décharger ledit second fluide dans la conduite d'admission. Le moyen d'injection est monté dans une partie de petit diamètre de la conduite d'admission. L'invention concerne enfin un procédé d'admission d'air pour compresseur de turbine à gaz dans lequel on injecte de l'air d'extraction issu du compresseur à l'intérieur d'une conduite d'admission en air de section variable, dans lequel on injecte l'air d'extraction dans une partie de petit diamètre de la conduite d'admission. Dans un mode de mise en oeuvre, on utilise un unique tube pourvu d'une pluralité d'éléments calibrés pour l'injection de l'air d'extraction issu du compresseur. 7 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système d'admission d'air selon la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un moyen d'injection du système de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe d'une bride du moyen d'injection de la figure 2, et - la figure 4 est une vue de face d'un support du moyen du moyen d'injection de la figure 2, et - la figure 5 est une vue en coupe du support de la figure 4. Sur la figure 1, on a désigné par la référence numérique générale 10 un système prévu pour l'alimentation en air d'une turbine à gaz 12, et plus précisément de son compresseur 14. Le système 10 comprend essentiellement une conduite d'admission 16 véhiculant de l'air frais illustré schématiquement par la flèche 18, et un moyen d'injection 20 de l'air issu du compresseur 14 agencé à l'intérieur de la conduite 16 de manière à obtenir un flux d'air homogène en direction du compresseur 14, illustré par la flèche référencée 22. Pour permettre une recirculation de l'air issu du compresseur 14 à l'intérieur de la conduite d'admission 16, le système comprend une conduite 24 de recirculation reliée au moyen d'injection 20 et à un collecteur 26 de décharge du compresseur. Sur la conduite 24, une vanne d'isolation 30 est prévue. La conduite d'admission 16 comporte une première partie 32 de grand diamètre reliée à une seconde partie 34 de petit diamètre par l'intermédiaire d'une portion coudée 36. L'entrée de la première partie 8 32 est raccordée à un filtre à air 38. La seconde partie 34 de la conduite d'admission 16 est quant à elle reliée à un collecteur d'entrée 40 du compresseur 14 de la turbine. Le collecteur d'entrée 40 comprend des aubes de guidage 42 pour pouvoir faire varier la quantité d'air véhiculé en direction du compresseur 14. La première partie 32 de la conduite d'admission 16 présente une section de passage supérieure à celle de la seconde partie 34. En d'autres termes, la section de passage de la conduite d'admission 16 est décroissante en direction du compresseur 14. Le moyen d'injection 20 de l'air issu du compresseur 14 est monté dans la seconde partie 34 de la conduite d'admission 16. Le moyen d'injection 20 est ainsi disposé en aval de la portion coudée 36, en considérant le sens de circulation de l'air à l'intérieur de la conduite d'admission 16. Pour commander la quantité d'air issu du compresseur 14 injecté dans la conduite d'admission 16, une vanne de régulation 44 ou de contrôle est prévue sur la conduite 24, en aval de la vanne d'isolation 30. Afin de contrôler l'état de fonctionnement du système 10, des capteurs de pression 45, 46 sont montés sur la conduite 24, en amont et en aval de ladite vanne de régulation, ainsi qu'un capteur de température 48, en aval du capteur de pression 46. Comme illustré plus visiblement sur la figure 2, le moyen d'injection 20 comprend un tube 50, d'axe longitudinal 52, qui est pourvu d'une pluralité d'éléments calibrés 54 ménagés radialement à travers sa paroi. Les éléments calibrés 54 se présentent sous la forme de perçages dimensionnés de façon à produire un écoulement étranglé d'air à l'intérieur de la conduite d'admission 16. Les éléments calibrés 54 sont disposés ici selon deux rangées radialement en vis-à-vis. Cette disposition en vis-à-vis des rangées favorise l'obtention d'un mélange homogène dans la conduite d'admission 16. Toutefois, il pourrait être envisageable de prévoir une disposition différente des éléments calibrés, et un nombre plus important de rangées. La section de passage globale des éléments calibrés 54 est définie par la relation : S KxPxCd dans laquelle : K représente une constante, Q représente le débit massique de l'air issu du compresseur et véhiculé par la conduite 24 en kg/s, T représente la température de l'air issu du compresseur en K, P représente la pression absolue en Pa, et Cd représente le coefficient de décharge des éléments calibrés. On conçoit aisément que la section de passage globale des éléments calibrés 54 dépend du mode de fonctionnement du compresseur 14. La dimension, le nombre et l'espacement des éléments calibrés 54 sont déterminés expérimentalement par des simulations, la section de passage élémentaire pouvant varier d'un élément calibré 54 à l'autre. Pour réaliser cette expérimentation, divers paramètres tels que la géométrie de conduite d'admission 16, le débit du compresseur 14, le débit d'extraction d'air chaud issu dudit compresseur, la température de l'air ambiant, la température des gaz chauds, la perte de charge du filtre à air 38, etc..., peuvent être considérés. A titre indicatif, pour un tube possédant une longueur de 5446 mm, il est possible de prévoir pour une rangée, 49 éléments calibrés orientés du côté du compresseur présentant des diamètres de 9 et 15 mm, et pour l'autre rangée 86 éléments calibrés de diamètre de 7 et 9 mm. Qx-N/T' La dimension, le nombre et l'espacement des éléments calibrés 54 sont donc optimisés en fonction de modes de fonctionnement de la turbine à gaz. Pour valider que le nombre et le diamètre des éléments calibrés 5 54 retenus répondent bien à la section de passage globale précédemment calculée, on utilise la relation suivante : n d2 S =L 1L dans laquelle : i=l 4 S représente la section de passage globale des éléments calibrés, et d le diamètre de l'élément calibré n considéré. Grâce à la disposition du tube 50 à l'intérieur de la seconde partie 34 de la conduite d'admission 16, directement en aval de la portion coudée 36, on obtient de façon économique un mélange uniforme de l'air chaud issu du collecteur 26 de décharge et de l'air 15 frais venant de la première partie 32 de ladite conduite. En effet, le montage du tube 50 dans la zone de la conduite d'admission 16 pour laquelle la section de passage de l'air frais est réduite favorise l'obtention d'un champ de températures uniforme, au niveau du compresseur 24, et ce, avec un unique moyen d'injection 20. 20 Le tube 50 du moyen d'injection 20 s'étend transversalement aux parois de la seconde partie 34 de la conduite d'admission 16. Ainsi, les jets d'air chaud issus des éléments calibrés 54 se mélangent avec l'air frais sur toute la largeur de la partie 34 de la conduite 16. Ceci favorise également l'obtention d'une distribution uniforme de 25 l'air au compresseur 24. De manière à favoriser un bon mélange de l'air comprimé chaud issu du collecteur 26 de décharge et de l'air frais véhiculé par la première partie 32 de la conduite d'admission 16, le tube 50 est agencé 10 11 à l'intérieur de la seconde partie 34 de manière que les rangées d'éléments calibrés 54 soient orientées vers les parois latérales de ladite partie. En d'autres termes, le tube 50 est perpendiculaire au plan de la figure. Pour permettre une diminution ou amortissement des bruits provoqués par l'injection d'air chaud, le système comprend un moyen acoustique tel que des déflecteurs de silencieux 56 disposés directement en amont du moyen d'injection 50. Plus précisément, les déflecteurs de silencieux 56 sont montés au niveau de la portion coudée 36 de la conduite d'admission 16. Comme cela est illustré à la figure 3, pour assurer la fixation du moyen d'injection 20 à l'intérieur de la seconde partie 34 de la conduite d'admission, le tube 50 comprend, au voisinage d'une extrémité axiale, une bride 58 rapportée sur la paroi externe de la seconde partie 34. La bride 58 se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire munie d'un alésage 60 pour permettre le passage du tube 50 à l'intérieur de la conduite d'admission 16. A cet égard, la seconde partie 34 comporte également une ouverture 62. Pour obtenir l'assujettissement de la bride 58 sur la conduite d'admission 16, des organes de fixation 64, tels que des vis, sont prévus et le tube 50 est emmanché à l'intérieur de l'alésage 60 de la bride 58. Des renforts 66 formant nervures, ici au nombre de huit, sont également disposés entre ces deux éléments. Pour permettre le raccordement du moyen d'injection 20 à la conduite 24, l'extrémité axiale du tube 50 en saillie vers l'extérieur par rapport à la conduite d'admission 16 comporte une collerette 68 pourvue de perçages 70. 12 En se référant de nouveau à la figure 2, le tube 50 du moyen d'injection 20 comporte, à l'extrémité axiale opposée à la collerette 68, un capot 72 d'obturation. Au voisinage du capot 72, le tube 50 comprend également des guides 74, ici au nombre de quatre (seulement trois étant visibles sur la figure) aptes à coopérer avec des encoches 76 d'un support 78, représenté à la figure 4. Les guides 74 se présentent sous forme d'ailettes réparties de manière uniforme dans le sens circonférentiel sur le tube 50. Les encoches 76 en correspondance de forme sont prévues pour permettre un guidage du tube 50 lors de dilatations thermiques. En effet, l'air issu du collecteur 26 de décharge et transitant par le moyen d'injection 20 présente une température relativement élevée, ce qui provoque des dilatations et des contractions thermiques du tube 50. Pour limiter le frottement entre le tube 50 du moyen d'injection 20 et le support 78 lors de telles variations dimensionnelles, le support 78 est avantageusement réalisé en bronze phosphoreux. Le support 78 se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire munie d'un alésage 79 pour permettre le passage du tube 50 et à partir duquel sont ménagées les encoches 76. Comme illustré à la figure 5, le support 78 est fixé contre la seconde partie 34 de la conduite d'admission 16. L'extrémité axiale du tube 50 qui comporte le capot 72 est en saillie par rapport à la conduite 16. Un boîtier de protection 80 rapporté sur la conduite 16 est prévu pour protéger cette extrémité en saillie. Grâce à l'invention, on dispose d'un système particulièrement efficace, simple et économique pour obtenir un mélange d'air présentant une distribution de températures sensiblement uniforme en vue de l'alimentation du compresseur de la turbine à gaz. Bien que dans l'exemple de réalisation illustré le système est prévu pour le mélange d'air frais et chaud en vue de l'alimentation du 13 compresseur de la turbine, on conçoit aisément qu'il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser le système dans d'autres applications nécessitant l'obtention d'un mélange homogène de fluides.5 REVENDICATIONS 1-Système d'admission d'air pour compresseur d'une turbine, le système comprenant une conduite d'admission (16) de section variable pour l'alimentation en air de la turbine, et un moyen d'injection (20) de l'air d'extraction issu du compresseur comprenant un tube (50) pourvu d'une pluralité d'éléments calibrés (54) pour décharger l'air issu du compresseur dans la conduite d'admission, caractérisé en ce que le moyen d'injection (20) est monté dans une partie de petit diamètre de la conduite d'admission (16). 2-Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen d'injection (20) est monté en aval d'une portion coudée (36) de la conduite d'admission, en considérant le sens de circulation de l'air. 3-Système selon la revendication 1 ou 2, comprenant un unique tube (50). 4-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments calibrés (54) sont espacés les uns par rapport aux autres dans le sens longitudinal du tube et disposés selon au moins deux rangées. 5-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la section de passage des éléments calibrés (54) est définie par la relation suivante : S KxPxCd dans laquelle : K représente une constante, Q représente le débit massique de l'air issu du compresseur en kg/s, T représente la température de l'air issu du compresseur en K, Qx~ 15 P représente la pression absolue en Pa, et Cd représente le coefficient de décharge des éléments calibrés. 6-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un moyen d'amortissement (56) de bruit disposé dans la conduite d'admission immédiatement en amont du moyen d'injection (20). 7-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une bride (58) pour la fixation d'une extrémité du tube et un support (78) apte à permettre des dilatations et des contractions thermiques de l'extrémité opposée dudit tube. 8-Système selon la revendication 7, dans lequel le tube (50) comprend des guides (74) coopérant avec des encoches (76) du support (78) pour permettre un déplacement relatif du tube et du support lors de dilatations et contractions thermiques. 9-Système de mélange de fluides comprenant une conduite d'admission de section variable véhiculant un premier fluide et un moyen d'injection d'un second fluide comprenant un tube pourvu d'une pluralité d'éléments calibrés pour décharger ledit second fluide dans la conduite d'admission, caractérisé en ce que le moyen d'injection est monté dans une partie de petit diamètre de la conduite d'admission. 10-Procédé d'admission d'air pour compresseur de turbine dans lequel on injecte de l'air d'extraction issu du compresseur à l'intérieur d'une conduite d'admission de section variable, caractérisé en ce qu'on injecte l'air d'extraction dans une partie de petit diamètre de la conduite d'admission.