Brevet FR2929372A1 — publié le 20091002

B09-0882FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Injecteur de combustible destiné à résister à un incident de retenue de flamme Invention de : DAVIS JR., Lewis Berkley WIDENER Stanley Kevin WILBER John Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 31 mars 2008 sous le n°12/059.493 Injecteur de combustible destiné à résister à un incident de retenue de flamme Des aspects de la présente invention portent sur des systèmes de combustion à prémélange et, plus particulièrement, sur des chambres de combustion de turbines à gaz employant des systèmes de combustion à prémélange ainsi que sur des systèmes de combustion à prémélange dans d'autres contextes. De façon générale, les chambres de combustion de turbines à gaz emploient des systèmes de combustion à prémélange conçus pour mélanger entièrement l'air et le combustible avant la combustion. De la sorte, les chambres de combustion de turbines à gaz sont aptes à réduire les émissions en comparaison d'un système de combustion à diffusion dans lequel le combustible et l'air se mélangent au moment de leur combustion. Cependant, les systèmes de combustion à prémélange de chambres de combustion de turbines à gaz subissent un mode d'échec appelé retenue de flamme. Lors d'une retenue de flamme, une flamme est créée, puis persiste à l'intérieur d'une zone de la chambre de combustion qui est destinée au mélange de combustible sans combustion. Plus précisément, en fonctionnement normal, la flamme persiste dans la zone de refoulement ou de combustion de l'injecteur (cf. région A de la figure 1) alors que, en fonctionnement anormal, notamment lors de l'incident de retenue de flamme, la flamme persiste à l'intérieur du volume annulaire de prémélange (cf. région B de la figure 1) où la flamme risque de provoquer des dégâts ainsi qu'un échec de la fonction de faibles émissions de l'injecteur de combustible. Selon un aspect de l'invention, un injecteur servant à éviter des dégâts excessifs résultant d'un incident de retenue de flamme survenant lorsqu'une flamme est formée et persiste extrêmement près de la matière de l'injecteur est proposé et comprend un volume annulaire extérieur défini par une paroi externe et une paroi interne, le volume annulaire extérieur comportant des entrées d'air par lesquelles de l'air passe vers une zone de mélange de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur et une zone de combustion, un volume annulaire intérieur disposé dans la paroi interne du volume annulaire extérieur et comportant un volume pour combustible dans lequel du combustible est introduit jusqu'à une extrémité distale de celui-ci, qui est adjacente à la zone de combustion et est isolée de celle-ci, et une conduite de circulation d'air, disposée entre le volume pour combustible et la paroi interne, par laquelle l'air rejoint la zone de combustion, la conduite de circulation d'air et la zone de combustion étant isolées du volume pour combustible, et un fusible. Le fusible est disposé sur la paroi interne du volume annulaire extérieur et est conçu pour fondre pendant l'incident de retenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche par laquelle le combustible passe de l'extrémité distale du volume pour combustible à une zone de combustion de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur et en aval de la zone de mélange de combustible. Selon un autre aspect de l'invention, un injecteur servant à éviter des dégâts excessifs résultant d'un incident de retenue de flamme survenant lorsqu'une flamme est formée et persiste extrêmement près de la matière de l'injecteur est proposé et comprend un volume annulaire extérieur défini par une paroi externe et une paroi interne, le volume annulaire extérieur comportant des entrées d'air par lesquelles de l'air rejoint une zone de mélange de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur et une zone de combustion, un volume annulaire intérieur disposé dans la paroi interne du volume annulaire extérieur et comportant un volume pour combustible dans lequel du combustible est introduit jusqu'à une extrémité distale de celui-ci, qui est adjacente à la zone de combustion et est isolée de celle-ci, et une conduite de circulation d'air, disposée entre le volume pour combustible et la paroi interne, par laquelle l'air rejoint la zone de combustion, une cloison comportant des premiers passages par lesquels l'air passe de la conduite de circulation d'air à la zone de combustion et des seconds passages, la cloison étant conçue pour isoler la conduite de circulation d'air et la zone de combustion par rapport au volume pour combustible, et un fusible. Le fusible est disposé sur la paroi interne du volume annulaire extérieur et est conçu pour fondre pendant l'incident de retenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche par laquelle le combustible passe par les seconds passages de la cloison depuis l'extrémité distale du volume pour combustible jusqu'à une zone de combustion de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur et en aval de la zone de mélange de combustible. Selon un autre aspect de l'invention, un injecteur servant à éviter des dégâts excessifs résultant d'un incident de retenue de flamme survenant lorsqu'une flamme est formée et persiste extrêmement près de la matière de l'injecteur est proposé et comprend un volume pour combustible, défini par une paroi d'un volume annulaire de l'injecteur, dans lequel du combustible est introduit jusqu'à une extrémité distale de celui-ci, qui est adjacente à une zone de combustion de l'injecteur et est isolée de celle-ci, une conduite de circulation d'air, disposée sur un extérieur du volume pour combustible, par laquelle l'air rejoint la zone de combustion, la conduite de circulation d'air et la zone de combustion étant isolées du volume pour combustible, et un fusible disposé dans la paroi du volume pour combustible et conçu pour fondre pendant l'incident de retenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche par laquelle le combustible passe de l'extrémité distale du volume pour combustible à une zone de combustion de combustible de l'injecteur située en aval de la zone de mélange de combustible de l'injecteur. 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 annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un injecteur selon un exemple de forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue éclatée en coupe de l'injecteur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'un injecteur selon un exemple de forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 est une illustration en perspective d'un procédé de fabrication d'un injecteur selon un exemple de forme de réalisation de l'invention. En référence aux figures 1 et 2, il est proposé un injecteur 1 capable de supporter ou autrement contenir un incident de retenue de flamme, au cours duquel une flamme est créée extrêmement près de la matière de l'injecteur 1. Comme indiqué plus haut, en fonctionnement normal, la flamme persiste dans la zone de refoulement ou de combustion de l'injecteur 1 (cf. région A de la figure 1) alors que, en fonctionnement anormal, notamment lors de l'incident de retenue de flamme, la flamme persiste à l'intérieur de la région B de la figure 1 où la flamme risque de provoquer des dégâts ainsi qu'un échec des fonctions de faibles émissions de l'injecteur 1. L'injecteur 1 comprend un volume annulaire extérieur 10 dont la forme est globalement définie par une paroi externe cylindrique 11 et une paroi interne cylindrique 12 (ci-après appelées "paroi externe 11" et "paroi interne 12"). Le volume annulaire extérieur 10 comporte une série d'entrées d'air 80 par lesquels de l'air rejoint une zone de mélange 16 de combustible définie dans le volume annulaire extérieur 10, puis la zone de combustion A. L'injecteur 1 comprend en outre un volume annulaire intérieur 20 disposé globalement entre la paroi interne 12 du volume annulaire extérieur 10 et la paroi intérieure 30 du volume annulaire intérieur. Le volume annulaire intérieur 20 contient du combustible à l'intérieur d'un volume D pour combustible qui s'étend jusqu'à l'extrémité distale 23 du l'injecteur 1. Le combustible à l'intérieur du volume D pour combustible entre normalement dans des orifices 60 d'alimentation en combustible à prémélange ménagés dans des déflecteurs de tourbillonnement E pour ainsi se mélanger au flux d'air dans le volume annulaire extérieur 10. Le volume annulaire intérieur 20 comprend en outre une conduite de circulation d'air 40, disposée entre la paroi intérieure 30 et la paroi interne 12 du volume annulaire extérieur 10, par laquelle de l'air rejoint une zone de combustion à diffusion 50. Ici, la conduite de circulation d'air 40 et la zone de combustion 50 sont isolées chacune du volume D pour combustible. La conduite de circulation d'air 40 est séparée du volume D pour combustible par une paroi sensiblement cylindrique 41. Un soufflet 25 est disposé le long de la paroi cylindrique 41 pour permettre une différence de dilatation thermique entre la paroi cylindrique 41 et la paroi intérieure 30. L'air entre dans la conduite de circulation d'air 40 par des orifices 70 qui traversent les déflecteurs de tourbillonnement E depuis la face extérieure de la paroi interne 11, qui est entourée par de d'air sous pression. Dans la paroi intérieure 30 de volume annulaire intérieur 20 se trouve, sur l'axe central de l'injecteur, un volume cylindrique 21 qui peut contenir divers appareils non directement liés à la présente invention et non représentés sur la figure 1. Ces appareils peuvent comprendre des équipements supplémentaires d'injection de combustible pour fournir du combustible à la zone de combustion à diffusion 50. Le volume annulaire extérieur 10 comporte une première extrémité 13 et une seconde extrémité 14. Les entrées d'air 80 sont ménagées dans une partie d'entrée d'air 15 de la première extrémité 13. Le déflecteur de tourbillonnement E, qui est conçu pour créer une circulation turbulente d'air dans la zone de mélange de combustible 16, est également disposé dans la seconde extrémité 14. En fonctionnement normal, il ne doit pas y avoir de flamme dans la zone de combustion 17 de combustible. En référence à la figure 2, un fusible est disposé sur la paroi interne 12 du volume annulaire extérieur 10. Le fusible 100 est conçu pour fondre pendant l'incident de retenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche dans la paroi interne 12 à travers laquelle le combustible doit alors pouvoir aller de l'extrémité distale 23 du volume D pour combustible à une zone de combustion 17 de combustible dans le volume annulaire extérieur 10 et en aval de la zone de mélange 16 de combustible. Selon une forme de réalisation de l'invention, la paroi cylindrique 41 et une première cloison 120 sont conçues pour coopérer afin d'isoler le volume D de combustible par rapport à la conduite de circulation d'air 40. De même, une seconde cloison 130 est conçue pour isoler le volume D pour combustible par rapport à la zone de combustion à diffusion 50. Une série, de tubes 110 s'étendent de la première cloison 120 à la seconde cloison 130 pour permettre la fourniture d'air de la conduite de circulation d'air 40 à la zone de combustion à diffusion 50. Le fusible 100 est disposé dans la paroi interne 12 du volume annulaire extérieur 10 à un emplacement correspondant à un emplacement axial des tubes 110, et comporte une partie de la paroi interne 12, qui a une épaisseur, Tl, plus petite que celle d'une autre partie de la paroi interne 12, qui a une épaisseur T2. Ainsi, l'épaisseur du fusible 100 est déterminée de façon que, pendant un incident de retenue de flamme, le fusible fonde dans un délai nettement plus court que le temps mis par la paroi interne 12, au niveau de l'épaisseur T2, pour atteindre sa température de fusion. Une fois que le fusible 100 fond, une brèche se crée et permet au combustible de s'échapper du volume D pour combustible et d'éviter de ce fait les trous d'injection de combustible F. Une fois que le combustible évite les trous d'injection de combustible F, le mélange de combustible et d'air présent dans la zone de mélange n'est plus assez riche pour brûler, et la flamme s'éteint, ce qui l'empêche donc de provoquer d'autres dégâts matériels. Alors que l'injecteur de combustible risque d'avoir subi de légers dégâts du fait de la brèche créée par la fusion du fusible, on évite de graves dégâts qui résulteraient de la fusion de la paroi interne 12. Dans une forme de réalisation de l'invention, une série de 4 fusibles 100 sont disposés, à équidistance les uns des autres, sur un pourtour de la paroi interne 12. Ici, chaque fusible 100 occupe environ 30° de la longueur circonférentielle de la paroi interne 12. De plus, l'épaisseur Tl de chaque fusible 100 peut être d'environ 0,043 à 0,058 cm, tandis que l'épaisseur T2 des montants de la paroi interne 12 à l'extérieur des bords du fusible 100 peut-être au moins d'environ 1,87 à 1,94 cm. Dans une forme de réalisation de l'invention, on peut employer une série d'une vingtaine de tubes 110 pour permettre la fourniture d'air de la conduite de circulation d'air 40 à la zone de combustion 50. Dans ce cas, les tubes 110 peuvent être séparés les uns des autres d'environ 18° dans la direction circonférentielle. Evidemment, il est entendu que le fusible 100 pourrait être formé autrement et à l'aide de matières différentes de celles de la paroi interne 12. Par exemple, le fusible 100 pourrait avoir une épaisseur égale ou supérieure à celle de la paroi interne 12 mais être constitué d'une matière conçue pour fondre à une température plus basse pendant l'incident de retenue de flamme. Ici, la matière devrait encore être par ailleurs apte à préserver le bon état de la paroi interne 12. En référence à la figure 3, selon une autre forme de réalisation de l'invention, une cloison 300 peut être installée dans le volume annulaire intérieur 20 et fixée à celui-ci au niveau de joints 301 qui peuvent être soudés ou brasés. La cloison 300 comporte un corps 310 à travers lequel sont ménagés des premiers passages 330 et des seconds passages 320. Dans la présente forme de réalisation, de l'air est fourni de la conduite de circulation d'air 40 à la zone de combustion via les premiers passages 330 et la fusible 100 fonctionne d'une manière similaire à celle décrite plus haut. Ainsi, une fois que le fusible 100 fond et crée la brèche, le combustible passe de l'extrémité distale 23 du volume D pour combustible à une zone de combustion 17 de combustible dans le volume annulaire extérieur 10 via les seconds passages 320 de la cloison 300. Ici, on peut employer une série d'une huitaine de premiers passages 330 et seconds passages 320. Les premiers passages 330 peuvent être séparés les uns des autres d'environ 45° dans la direction circonférentielle, tandis que les seconds passages 320 peuvent eux aussi être séparés les uns des autres d'environ 45° dans la direction circonférentielle. Dans une forme de réalisation de l'invention, un capteur 150 (cf. figure 2) peut coopérer avec le fusible 100 pour détecter soit la fusion du fusible soit la présence de la brèche. Ici, le capteur 150 peut produire un signal indiquant qu'un incident de retenue de flamme est survenu. Ce signal pourrait ensuite être délivré à un opérateur qui pourrait alors déterminer si un arrêt de l'injecteur correspondant 1 est nécessaire. Selon une autre possibilité, le signal peut être délivré directement à une unité de commande (non représentée) qui arrêterait alors automatiquement l'injecteur correspondant 1. En référence à la figure 4, un procédé de fabrication d'un injecteur destiné à résister à une retenue de flamme comprend la formation de deux cloisons 120 et 130 dans un volume annulaire intérieur 20 de l'injecteur 1 de façon que chacune bute contre une paroi interne 12 qui définit une forme du volume annulaire intérieur 20. La formation des cloisons isole de ce fait les uns des autres une conduite de circulation d'air 40, un volume D pour combustible et une zone de combustion 50 dans le volume annulaire intérieur 20. De la matière est ensuite enlevée d'une surface intérieure de la paroi interne 12 à un endroit situé entre les deux cloisons 120 et 130. A cet endroit, la paroi interne 12 communique avec le volume pour combustible. Une fois que la matière est enlevée, il est permis une communication d'air de la conduite de circulation d'air 40 à la zone de combustion à diffusion 50. Selon des formes de réalisation de l'invention, l'enlèvement de matière de la surface intérieure de la paroi comporte l'usinage de la surface intérieure de la paroi à l'aide, par exemple, d'un outil de coupe "en T" 500 introduit de l'avant dans le volume annulaire intérieur 20. Par ailleurs, l'établissement de la communication entre la conduite de circulation d'air et la zone de combustion comporte le perçage d'ouvertures à travers les deux cloisons et l'installation de tubes 110 à travers les ouvertures, de la conduite de circulation d'air 40 à la zone de combustion à diffusion 50. Liste des repères 1 Injecteur A Zone de combustion B Région où persiste la flamme 10 Volume annulaire extérieur 11 Paroi cylindrique externe 12 Paroi cylindrique interne 13 Première extrémité 14 Seconde extrémité 15 Partie d'entrée d'air 16 Zone de mélange du combustible 17 Zone de combustion du combustible 20 Volume annulaire intérieur 21 Volume cylindrique 23 Extrémité distale 25 Soufflet 30 Paroi intérieure D Volume pour combustible E Déflecteurs de tourbillonnement F Trous d'injection de combustible 40 Conduite de circulation d'air 41 Paroi cylindrique 50 Zone de combustion à diffusion 60 Orifices d'alimentation 70 Orifices 80 Entrées d'air 100 Fusible Tl Epaisseur T2 Epaisseur 110 Tubes 120 Premier cloison 130 Seconde cloison 150 Capteur REVENDICATIONS1. Injecteur (1) servant à éviter des dégâts excessifs résultant d'un incident de retenue de flamme survenant lorsqu'une flamme est formée et persiste extrêmement près de la matière de l'injecteur, comprenant : un volume annulaire extérieur (10) défini par une paroi externe (11) et une paroi interne (12) et comportant des entrées d'air (80) par lesquelles de l'air passe vers une zone de mélange (16) de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur (12) et une zone de combustion (50) ; un volume annulaire intérieur (20) disposé dans la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur (10) et comportant : un volume D pour combustible dans lequel du combustible est introduit jusqu'à une extrémité distale (23) de celui-ci, qui est adjacente à la zone de combustion (50) et est isolée de celle-ci, et une conduite de circulation d'air (40), disposée entre le volume D pour combustible et la paroi interne(12), par laquelle l'air rejoint la zone de combustion (50), la conduite de circulation d'air (40) et la zone de combustion (50) étant isolées du volume D pour combustible ; et un fusible (100) disposé sur la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur (10) et conçu pour fondre pendant l'incident de retenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche par laquelle le combustible passe de l'extrémité distale (23) du volume D pour combustible à une zone de combustion (17) de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur (10) et en aval de la zone de mélange (16) de combustible. 2. Injecteur (1) selon la revendication 1, comprenant en outre : une première paroi (41) et une première cloison (120) conçues pour coopérer afin d'isoler le volume D pour combustible par rapport à la conduite de circulation d'air (40) ; et une seconde cloison (130) conçue pour isoler le volume D pour combustible par rapport à la zone de combustion (50). 3. Injecteur (1) selon la revendication 2, comprenant en outre une série de tubes (11) s'étendant de la première cloison (120) à la seconde cloison (130) pour ainsi permettre la fourniture d'air de la conduite de circulation d'air (40) à la zone de combustion (50). 4. Injecteur (1) selon la revendication 3, dans lequel le fusible (100) est disposé dans la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur à un endroit correspondant à celui des tubes (110). 5. Injecteur (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un capteur (150) conçu pour détecter la fusion du fusible (100) et/ou la présence d'une brèche et pour produire un signal indiquant la détection. 6. Injecteur (1) servant à éviter des dégâts excessifs résultant d'un incident de retenue de flamme survenant lorsqu'une flamme est formée et persiste extrêmement près de la matière de l'injecteur, comprenant : un volume annulaire extérieur (10) défini par une paroi externe (11) et une paroi interne (12), le volume annulaire extérieur (10) comportant des entrées d'air (80) par lesquelles l'air rejoint une zone de mélange (16) de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur (10) et une zone de combustion (50) ; un volume annulaire intérieur (20) disposé dans la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur (10) et comportant : un volume D pour combustible dans lequel du combustible est introduit jusqu'à une extrémité distale (23) de celui-ci, qui est adjacente à la zone de combustion (50) et est isolée de celle-ci, et une conduite de circulation d'air (40), disposée entre le volume D pour combustible et la paroi interne (12), par laquelle l'air rejoint la zone de combustion (50) ; une cloison (300) comportant des premiers passages (330) par lesquels de l'air passe de la conduite de circulation d'air (40) à la zone de combustion (50) et des seconds passages (320), la cloison étant conçue pour isoler la conduite de circulation d'air (40) et la zone de combustion (50) par rapport au volume D pour combustible ; et un fusible (100) disposé sur la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur (10) et conçu pour fondre pendant l'incident deretenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche par laquelle le combustible passe par les seconds passages (320) de la cloison (330) depuis l'extrémité distale (23) du volume D pour combustible jusqu'à une zone de combustion (17) de combustible à l'intérieur du volume annulaire extérieur (10) et en aval de la zone de mélange (16) de combustible. 7. Injecteur (1) selon la revendication 6, dans lequel le fusible (100) est disposé dans la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur (10) à un endroit correspondant à celui de la cloison (300). 8. Injecteur (1) selon la revendication 6, dans lequel le fusible (100) comporte une partie de la paroi interne (12) du volume annulaire extérieur (10) qui est suffisamment mince pour que, pendant l'incident de retenue de flamme, le fusible fonde dans un délai nettement plus court que le temps mis par la paroi interne du volume annulaire pour atteindre sa température de fusion. 9. Injecteur (1) selon la revendication 6, comprenant en outre un capteur (150) conçu pour détecter la fusion du fusible (100) et/ou la présence d'une brèche et pour produire un signal indiquant la détection. 10. Injecteur (1) servant à éviter des dégâts excessifs résultant d'un incident de retenue de flamme survenant lorsqu'une flamme est formée et persiste extrêmement près de la matière de l'injecteur, comprenant : un volume D pour combustible, défini par une paroi d'un volume annulaire (20) de l'injecteur (1), dans lequel du combustible est introduit jusqu'à une extrémité distale (23) de celui-ci, qui est adjacente à une zone de combustion (50) de l'injecteur (1) et est isolée de celle-ci ; une conduite de circulation d'air (40), disposée sur un extérieur du volume D pour combustible, par laquelle l'air rejoint la zone de combustion(50), la conduite de circulation d'air (40) et la zone de combustion (50) étant isolées du volume D pour combustible ; et un fusible (100) disposé dans la paroi du volume D pour combustible et conçu pour fondre pendant l'incident de retenue de flamme et pour créer de ce fait une brèche par laquelle le combustible passe de l'extrémité distale (23) du volume D pour combustible à unezone de combustion (17) de combustible de l'injecteur (1) située en aval de la zone de mélange (16) de combustible de l'injecteur (1).