Brevet FR2929688A1 — publié le 20091009

B09-0525FR 1 Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY PREMELANGEUR DE TUBE DE BRULEUR ET PROCEDE POUR MELANGER DE L'AIR ET DU GAZ DANS UNE TURBINE A GAZ Invention de : ZUO Baifang KHAN Abdul Rafey STEVENSON Christian X. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 8 avril 2008 sous le n° 12/099.241 2 PREMELANGEUR DE TUBE DE BRULEUR ET PROCEDE POUR MELANGER DE L'AIR ET DU GAZ DANS UNE TURBINE A GAZ La présente invention concerne un mélangeur d'air et de combustible d'une turbine à gaz et un procédé pour mélanger de l'air et un combustible. Les constructeurs de turbines à gaz entreprennent régulièrement des programmes de recherche et d'étude pour réaliser de nouvelles turbines à gaz qui fonctionnent à un haut rendement sans produire d'émissions indésirables contaminant l'air. Les émissions contaminant l'air primaire, produites par des turbines à gaz brûlant des hydrocarbures servant de combustibles classiques, sont composées d'oxydes d'azote, de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés. L'oxydation d'azote moléculaire dans des réacteurs ingérant de l'air dépend fortement de la température maximale des gaz chauds dans la zone de réaction du système de combustion. Le rythme des réactions chimiques formant des oxydes d'azote (NOx) est une fonction exponentielle de la température. Si la température des gaz chauds dans la chambre de combustion est régulée à une valeur suffisamment basse, il ne sera pas produit de NOx thermiques. Un procédé de régulation de la température de la zone de réaction d'une chambre de combustion au-dessous du niveau auquel se forment des NOx thermiques consiste à prémélanger du combustible et de l'air pour créer un combustible pauvre avant la combustion. La masse thermique de l'excédent d'air présent dans la zone de réaction d'une chambre de combustion à prémélange pauvre absorbe de la chaleur et limite la montée en température des produits de combustion à un niveau où il ne se forme pas de NOx thermiques. Il existe plusieurs problèmes associés à des chambres de combustion sèche à faible taux d'émission fonctionnant avec la réalisation d'un prémélange pauvre de combustible et d'air, des mélanges inflammables de combustible et d'air étant présents dans la section de prémélange de la chambre de combustion, qui est à l'extérieur de la zone de réaction de la chambre de combustion. Une combustion a tendance à survenir dans la section de prémélange en raison du retour de flamme qui a lieu quand les flammes se propagent depuis la zone de réaction de la chambre de combustion jusque dans la section de prémélange et amène les flammes à être retenues dans le sillage des colonnes d'injection de combustible (jets croisés) ou des bords de fuite d'aubes fixes, ou de l'auto-allumage, qui survient quand le temps de 3 séjour et la température pour le mélange de combustible et d'air dans la section de prémélange sont suffisants pour qu'une combustion débute sans allumeur. Les conséquences d'une combustion dans la section de prémélange sont la dégradation des performances de limitation des émissions et/ou la surchauffe et l'endommagement de la section de prémélange, cette dernière n'étant ordinairement pas conçue pour résister à la chaleur de combustion. Par conséquent, un problème à résoudre consiste à empêcher le retour de flamme ou l'auto-allumage provoquant une combustion à l'intérieur du prémélangeur. De plus, le mélange de combustible et d'air sortant du prémélangeur et entrant dans la zone de réaction de la chambre de combustion doit être très uniforme pour que les performances de limitation d'émissions visées soient atteintes. S'il existe, dans le champ d'écoulement, des régions où la richesse du mélange de combustible et d'air est nettement supérieure à la moyenne ; dans ces régions, les produits de combustion atteindront une température supérieure à la moyenne et il se formera des NOx thermiques. Il risque d'en résulter une incapacité de respecter les objectifs concernant les émissions de NOx, en fonction de la combinaison de la température et du temps de séjour. S'il existe, dans le champ d'écoulement, des régions où le mélange de combustible et d'air est nettement plus pauvre que la moyenne, un refroidissement risque alors de survenir avec une impossibilité d'oxydation des hydrocarbures et/ou du monoxyde de carbone à des niveaux d'équilibre. Il risque d'en résulter une incapacité de respecter les objectifs d'émissions de monoxyde de carbone (CO) et ou hydrocarbures imbrûlés (HCI). Ainsi, un autre problème à résoudre consiste à produire, à la sortie du prémélangeur, une répartition de la richesse du mélange de combustible et d'air qui soit suffisamment uniforme pour que les performances de limitation d'émissions visées soient atteintes. Par ailleurs encore, dans le but d'atteindre les objectifs de performances de limitation d'émission fixés pour la turbine dans nombre d'applications, il convient de réduire la richesse du mélange de combustible et d'air à un niveau qui soit proche de la limite d'inflammabilité d'un mélange pauvre pour la plupart des hydrocarbures servant de combustibles. Cela a pour effet une réduction de la vitesse de propagation des flammes ainsi qu'une diminution des émissions. Par conséquent, les chambres de combustion à prémélange pauvre ont tendance à être moins stables que des chambres de combustion à flammes de diffusion plus classiques, et il en résulte souvent un niveau élevé de fluctuation dynamique de pression (la dynamique) liée à la combustion. La dynamique risque d'avoir des conséquences négatives telles qu'un 4 endommagement de pièces de la chambre de combustion et de la turbine par suite d'usure ou de fatigue, un retour de flamme ou une extinction par soufflage. De la sorte, un autre problème à résoudre consiste à limiter à un niveau raisonnablement bas la dynamique de combustion. Des injecteurs de combustible pauvre à prémélange pour réduire les émissions sont employés dans toute l'industrie, mais depuis plus de deux décennies ils se cantonnent en pratique aux turbines à gaz industrielles puissantes. Un exemple représentatif d'un tel dispositif est décrit dans le brevet des E.U.A. n° 5 259 184. Ces dispositifs ont progressé en ce qui concerne la réduction des émissions d'échappement des turbines à gaz. La diminution des émissions d'oxydes d'azote, les NOx, d'un ou de plusieurs ordres de grandeur par rapport à des brûleurs à flammes de diffusion selon la technique antérieure a été obtenue sans recourir à l'injection d'un diluant tel que de la vapeur ou de l'eau. Cependant, comme indiqué plus haut, ces progrès des performances de réduction d'émissions ont été réalisés au risque de se heurter à plusieurs problèmes. En particulier, le retour de flamme et la rétention de flammes à l'intérieur de la section de prémélange du dispositif entraîne une dégradation des performances de réduction des émissions et/ou un endommagement du matériel en raison de la surchauffe. En outre, des niveaux supérieurs de dynamique de pression sous l'effet de la combustion provoquent un abrègement de la durée de vie de pièces du système de combustion et/ou d'autres pièces de la turbine à gaz par suite de ruptures par fatigue mégacyclique. En outre encore, la complexité du fonctionnement de la turbine à gaz est accrue et/ou des limitations sont nécessaires quant au fonctionnement de la turbine à gaz afin d'éviter des conditions conduisant à un haut niveau de dynamique de pression, un retour de flamme ou une extinction par soufflage. Outre ces problèmes, les chambres de combustion à prémélange pauvre n'ont pas atteint les réductions maximales d"émissions possibles avec un prémélange parfaitement uniforme du combustible et de l'air. Selon une première forme de réalisation de l'invention, un brûleur destiné à servir dans une turbine à gaz comprend un tube de brûleur ayant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie ; une pluralité de fentes ménagées dans le tube de brûleur et conçues pour introduire tangentiellement des flux d'air dans le tube de brûleur et faire tourbillonner les flux d'air ; une pluralité de passages de combustible s'étendant axialement le long du tube de brûleur ; et une pluralité de trous d'injection de combustible créés pour chaque passage de combustible. Au moins un des trous d'injection de combustible de chaque passage de combustible est conçu pour injecter tangentiellement un flux de combustible dans le tube de brûleur entre des flux d'air de fentes adjacentes afin de former un flux conjoint de combustible et d'air. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé pour mélanger du combustible et de l'air dans un brûleur d'une turbine à gaz. Le brûleur comprend un tube de brûleur comportant une pluralité de fentes ménagées dans le tube de brûleur. Le procédé comprend l'introduction tangentielle de flux d'air dans le tube de brûleur à travers les fentes et la création d'un tourbillonnement des flux d'air ; et l'injection de combustible entre des flux d'air de fentes adjacentes pour former des flux conjoints de combustible et d'air. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins 15 annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue schématique en perspective d'un brûleur selon une forme de réalisation de l'invention ; la Fig. 2 est une vue schématique en coupe du brûleur de la Fig. 1 suivant la ligne 2-2 ; et 20 la fig. 3 est une vue schématique en coupe du brûleur de la Fig. 1 suivant la ligne 3-3. Considérant les figures 1 à 3, un brûleur 2 comprend un tube 4 de brûleur ayant une extrémité d'entrée 6 et une extrémité de sortie 8. Une bride 10 est présente 25 sur le tube 4 de brûleur pour monter le brûleur 2 dans une turbine à gaz. Il doit être entendu que la bride 10 peut faire corps avec le tube 4 de brûleur ou peut être présente séparément. Il doit aussi être entendu que d'autres dispositifs de montage peuvent être prévus pour le brûleur 2. Une pluralité de fentes 12 sont ménagées dans le tube 4 de brûleur. De l'air 30 est introduit tangentiellement dans le tube 4 de brûleur à travers les fentes 12. Chaque fente 12 a une configuration en spirale ou à turbulence pour faire tourbillonner l'air de combustion entrant dans la fente 12. Comme représenté sur la Fig. 2, le tube 4 de brûleur comporte une pluralité de passages 14 de combustible qui s'étendent axialement le long du tube 4 de brûleur. Une pluralité de trous 16 35 d'injection de combustible sont prévus pour injecter tangentiellement du combustible 6 dans le tube 4 de brûleur depuis les passages 14 de combustible. Les passages 14 de combustible sont ménagés dans le tube 4 de brûleur entre une paroi extérieure 36 et une paroi intérieure 30. Considérant les figures 2 et 3, un corps central convergent 18 est présent dans le tube 4 de brûleur pour provoquer un mélange accéléré d'air et de combustible sur l'axe du tube 4 de brûleur et pour maintenir une absence de séparation de flux à la surface du corps central 18. Le corps central 18 a une pointe 32 de corps central au voisinage immédiat de l'extrémité de sortie 8 du tube 4 de brûleur. Le corps central 18 comporte aussi un passage central 20 pour permettre à de l'air de purge de circuler dans le corps central 18 afin d'empêcher que la flamme ne soit retenue dans le corps central 18, par exemple à la pointe 32 du corps central. Considérant la Fig. 3, les fentes 12 ont chacune une extrémité 22 de fente qui est tangente à l'axe 34 du tube 4 de brûleur afin de limiter le plus possible les perturbations lors du mélange de l'air et du combustible. Comme représenté sur la Fig. 2, le combustible injecté 24 est intercalé entre un flux 26 d'air issu d'une fente 12 et un flux 28 d'air issu d'une autre fente 12. Le combustible injecté 24 s'écoule conjointement avec les flux 26, 28 d'air et est empêché de venir toucher la paroi intérieure 30 du tube 4 de brûleur. Cela supprime les jets croisés qui ont tendance à provoquer une rétention de flammes. Les couches de flux conjoints de combustible et d'air entrés tangentiellement descendent ensuite axialement en se mélangeant rapidement et se déversent dans la chambre de combustion pour une combustion stable à prémélange. Les flux conjoints 24, 26, 28 de combustible et d'air entrent radialement dans le tube 4 de brûleur. L'entrée radiale des flux conjoints 24, 26, 28 ne crée aucun domaine de sillage à l'intérieur du tube 4 de brûleur et supprime les points de rétention potentielle de flammes. Les flux radiaux conjoints 24, 26, 28 de combustible et d'air assurent aussi une rupture du tourbillon axial pour assurer un bon mélange du combustible et de l'air. Les extrémités 22 des fentes sont conçues pour permettre aux flux 26, 28 d'air d'entrer dans le tube 4 de brûleur tangentiellement à l'axe 34 du tube de brûleur et radialement. Le corps central 18 empêche le retour de flamme au centre du tube 4 de brûleur et stabilise la flamme près de la pointe 32 du corps central. Le brûleur 2 a une géométrie simple et peut être fabriqué à un faible coût. Le brûleur 2 assure aussi un grand rendement et de faibles émissions. La paroi intérieure 30 du tube 4 de brûleur peut aussi être protégée par de l'air pur ou par une 7 purge d'air. Le brûleur 2 assure aussi une faible chute de pression d'air et de combustible et l'injection axiale progressive de combustible évite une dynamique. Le brûleur 2 peut aussi être utilisé avec un combustible et du Syngas à fort pourcentage d'hydrogène. La longueur et la largeur des fentes 12, le nombre de trous 16 d'injection de combustible, le diamètre des trous 16 d'injection de combustible, les emplacements des trous 16 d'injection de combustible et le profil de la surface du corps central 18 peuvent être étudiés à l'aide de la modélisation numérique en mécanique des fluides (CFD) pour réaliser le mélange voulu, ou accentué, d'air et de combustible afin d'éviter l'auto-allumage et la rétention de flammes dans le brûleur. Il faut également souligner que bien que le brûleur ait été représenté comme comprenant, par exemple, quatre fentes, des fentes peuvent être ménagées en n'importe quel nombre. 20 25 Liste des repères 2 Brûleur 4 Tube de brûleur 6 Extrémité d'entrée 8 Extrémité de sortie 10 Bride 12 Fentes 14 Passage de combustible 16 Trous d'injection de combustible 18 Corps central 20 Passage central 22 Extrémité de fente 24 Combustible injecté 26 Flux d'air 28 Flux d'air 30 Paroi (intérieure) 32 Pointe du corps central 34 Axe 36 Paroi (extérieure) REVENDICATIONS1. Brûleur (2) destiné à servir dans une turbine à gaz, comprenant : un tube (4) de brûleur ayant une extrémité d'entrée (6) et une extrémité de 5 sortie (8) ; une pluralité de fentes (12) formées dans le tube (4) de brûleur et conçues pour introduire des flux (26, 28) d'air tangentiellement dans le tube (4) de brûleur et faire tourbillonner les flux (26, 28) d'air ; une pluralité de passages (14) de combustible s'étendant axialement le long 10 du tube (4) de brûleur ; et une pluralité de trous (16) d'injection de combustible créés pour chaque passage (14) de combustible, au moins un des trous (16) d'injection de combustible de chaque passage de combustible étant conçu pour injecter un flux (24) de combustible tangentiellement dans le tube (4) de brûleur entre des flux (26, 28) d'air 15 de fentes adjacentes (12) afin de former un flux conjoint de combustible et d'air. 2. Brûleur selon la revendication 1, comprenant en outre un corps central (18) disposé coaxialement dans le tube (4) de brûleur entre l'extrémité d'entrée (6) et l'extrémité de sortie (8). 3. Brûleur selon la revendication 2, dans lequel le corps central (18) 20 converge depuis l'extrémité d'entrée (6) vers l'extrémité de sortie (8). 4. Brûleur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le corps central (18) comporte un passage central (20). 5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque fente (12) comporte une extrémité (22) de fente qui oriente le flux (26, 28) 25 d'air tangentiellement et/ou radialement par rapport à l'axe du tube (4) de brûleur. 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque passage (14) de combustible est formé entre une paroi extérieure (36) et une paroi intérieure (30) du tube (4) de brûleur. 7. Procédé de mélange d'air et de combustible dans un brûleur (2) de turbine 30 à gaz, le brûleur (2) comprenant un tube (4) de brûleur comportant une pluralité de fentes (12) ménagées dans le tube (4) de brûleur, le procédé comprenant l'introduction de flux (26, 28) d'air tangentiellement dans le tube (4) de brûleur à travers les fentes (12) et la création d'un tourbillonnement des flux (26, 28) d'air ; et 2929688 io l'injection de combustible (24) entre les flux (26, 28) d'air de fentes adjacentes (12) pour former des flux conjoints de combustible et d'air. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'injection de combustible consiste à injecter le combustible (24) tangentiellement dans le tube (4) de brûleur. 9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, comprenant en outre l'injection d'un flux d'air tangentiellement et/ou radialement par rapport à l'axe du tube de brûleur à l'extrémité (22) des fentes (12). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant en outre l'accélération des flux conjoints dans le tube de brûleur le long d'un corps 10 central (18) disposé coaxialement dans le tube (4) de brûleur.