Brevet FR2931928A1 — publié le 20091204

B09-1945FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Fusible de réduction de maintien de flamme dans un prémélangeur de chambre de combustion d'une turbine à gaz et procédé associé Invention de : DAVIS JR., Lewis Berkley WIDENER Stanley Kevin WILBER John Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 28 mai 2008 sous le n° 12/128.231 1 Fusible de réduction de maintien de flamme dans un prémélangeur de chambre de combustion d'une turbine à gaz et procédé associé L'invention concerne des systèmes de combustion de turbines à gaz et, plus particulièrement, un type de buse à combustible qui réduit à un minimum les détériorations du brûleur lors de la survenue d'une remontée de flamme de combustion ou d'un maintien de flamme. Un brûleur de turbine à gaz mélange de grandes quantités de combustible et d'air comprimé et brûle le mélange obtenu. Les brûleurs classiques pour des turbines à gaz industrielles comprennent habituellement un arrangement annulaire de "pots" de combustion cylindriques, dans lesquels l'air et le combustible sont mélangés et la combustion a lieu. L'air comprimé provenant d'un compresseur axial entre dans le brûleur. Le combustible est injecté par des ensembles de buses à combustible qui s'étendent vers l'intérieur de chaque pot. Le mélange de combustible et d'air brûle dans une chambre de combustion de chaque pot. Les gaz brûlés passent de chaque pot dans un conduit qui mène à la turbine. Des pots de combustion conçus pour de faibles émissions comprennent des chambres de prémélange et des chambres de combustion. Des ensembles de buses à combustible prévus dans chaque pot de combustion injectent du combustible et de l'air dans les chambres du pot. Une partie du combustible provenant de l'ensemble de buse est envoyée dans la chambre de prémélange du pot, où de l'air est ajouté et prémélangé avec le combustible. Le fait de prémélanger l'air et le combustible dans la chambre de prémélange favorise une combustion rapide et efficace dans la chambre de combustion de chaque pot, ainsi que de faibles émissions de combustion. Le mélange d'air et de combustible s'écoule en aval de la chambre de prémélange, vers la chambre de combustion dans laquelle à lieu la combustion et qui reçoit dans certaines conditions du combustible supplémentaire distribué par la partie avant de l'ensemble de buse à combustible. Ce combustible supplémentaire est un moyen de stabiliser la flamme, en vue d'un fonctionnement à basse puissance, et peut être coupé totalement dans des conditions de haute puissance. Un état de remontée de flamme ou de maintien de flamme peut survenir dans des pots de combustion dotés de chambres de prémélange. Les chambres de prémélange ne sont pas destinées à la combustion. Une remontée de flamme se produit lorsque la flamme se propage dans la chambre de prémélange, en partant de la chambre de combustion située en aval, ce qui est généralement provoqué par des conditions transitoires momentanées. Un maintien de flamme se produit lorsqu'une flamme est amorcée dans la zone de prémélange, le cas échéant par une source externe, telle qu'une étincelle ou un objet étranger chaud éjecté par le compresseur, et la flamme se stabilise ensuite dans une zone de recirculation ou zone de couche limite faible, directement en aval de la partie de l'ensemble de buse à combustible qui envoie le combustible dans la chambre de prémélange. Les dégâts provoqués par une remontée de flamme ou un maintien de flamme peuvent aller jusqu'à l'inflammation de composants du brûleur qui ne sont pas destinés à être exposés à la chaleur de combustion. Les dégâts provoqués par l'inflammation de ces composants du brûleur peuvent entraîner leur dysfonctionnement et leur rupture. Si des parties brisées du brûleur sont entraînées dans le flux de gaz brûlés, elles risquent d'endommager le chemin des gaz chauds, par exemple la turbine dans la turbine à gaz. Des systèmes agissant comme "fusibles" prévus dans des ensembles de buses à combustible empêchent le maintien de flamme en déviant le combustible des buses à combustible pour la chambre de prémélange. La déviation du combustible de la chambre de prémélange provoque l'épuisement de la flamme anormale et empêche la combustion de se poursuivre dans la chambre de prémélange. Cependant, les conceptions de fusibles classiques, telles qu'elles sont exposées dans le brevet américain 5,685,139, ne conviennent pas pour tous les types d'ensembles de buses à combustible. Par conséquent, il existe un besoin de nouvelles conceptions de fusibles. Un ensemble de buse à combustible pour un brûleur d'une turbine à gaz a été mis au point et comprend : un corps de buse avec une partie avant et un tube intérieur délimitant un canal de combustible qui s'étend dans le corps de buse; un tube extérieur disposé autour du tube intérieur et délimitant un canal d'air entre le tube extérieur et le tube intérieur; une zone affaiblie du tube extérieur, qui brûle et se perce en cas de remontée de flamme, amenant ainsi une partie du combustible de prémélange à contourner les injecteurs et à être évacuée par la zone affaiblie; une conduite dilatable disposée dans le canal d'air et ayant un orifice de sortie contigu à la zone affaiblie, le combustible s'écoulant dans la conduite dilatable lorsque la zone affaiblie du tube extérieur est percée en brûlant, et le flux de combustible étant évacué de la conduite à travers la zone affaiblie et en direction de l'avant du corps de buse; et un collet fixé au corps de buse et comprenant un canal de combustible de prémélange et des orifices distribuant le combustible depuis le collet, la conduite dilatable ayant un orifice d'entrée s'ouvrant sur le canal de combustible de prémélange. Un procédé a été mis au point pour éteindre un retour de flamme dans un brûleur d'une turbine à gaz et comprend : l'injection de combustible et d'air comprimé, depuis un ensemble d'injecteur de combustible, dans une chambre de prémélange du brûleur, le combustible et l'air comprimé injectés ne brûlant normalement pas dans la chambre de prémélange; la combustion du combustible et de l'air comprimé dans une chambre de combustion, en aval de la chambre de prémélange du brûleur; l'alimentation en air de la chambre de combustion, depuis la partie avant de l'ensemble d'injecteur, à travers un canal d'air s'étendant dans un corps de buse de l'injecteur de combustible; l'injection du combustible dans la chambre de combustion, depuis un canal de combustible muni d'un orifice de sortie à l'avant de l'ensemble d'injecteur; l'ouverture d'un orifice de sortie d'une conduite, en réaction à un état de remontée de flamme à proximité de l'ensemble d'injecteur de combustible, l'orifice de sortie se trouvant à proximité de la partie avant de l'ensemble d'injecteur, et la conduite s'étendant dans le canal d'air; la déviation du combustible de la chambre de prémélange vers la conduite, en ouvrant l'orifice de sortie, et l'extinction des flammes de la remontée de flamme, par déviation de combustible. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée qui suit, avec référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue de côté partiellement en coupe d'un pot de combustion classique d'une turbine à gaz, - la figure 2 est une vue en perspective d'un ensemble de buse à combustible, - la figure 3 est une vue en perspective d'un ensemble de fusible qui est intégré dans le corps de buse de l'ensemble de buse à combustible, - la figure 4 est une vue de côté en coupe de l'ensemble de fusible dans le collet arrière de l'ensemble de buse à combustible; et - la figure 5 est une vue de côté en coupe de la partie avant du corps de buse. La figure 1 est une vue de côté partiellement en coupe d'un brûleur 10 classique d'une turbine à gaz 12 qui comprend un compresseur 13 (représenté par le carter de compresseur 14), et une section de turbine 15, représentée par une aube de turbine 16 unique. Le brûleur comprend un arrangement annulaire de pots de combustion 18 qui sont disposés autour du carter de compresseur 14. Le compresseur 13 est entraîné par la turbine qui est couplée en vue d'un entraînement au compresseur, le long d'un axe commun. L'air comprimé provenant du compresseur entre dans chaque pot de combustion 18 du brûleur 10 et s'écoule (cf. flèche d'air 19) dans un conduit 20 annulaire formé entre un manchon 22 cylindrique et une chemise intérieure 24 cylindrique du pot. L'air comprimé s'écoule dans le conduit 20 vers l'ensemble de couvercle d'extrémité 26 du pot, en sens inverse des gaz brûlés produits dans le pot (cf. flèche de gaz brûlés 28). L'air entre dans la chambre de combustion 30 et dans les chambres de prémélange 32 de chaque pot, en passant par différentes ouvertures prévues dans la chemise 24 et par les orifices d'admission de prémélange 25 des ensembles de buses à combustible 34. Un mélange de combustible et d'air est introduit dans les chambres de prémélange 32 et la chambre de combustion par les buses à combustible 34 qui sont disposées à l'avant du pot et sont fixées au couvercle d'extrémité. Le combustible et l'air comprimé se mélangent dans la chambre de prémélange et s'écoulent vers la chambre de combustion 30. Le mélange brûle dans la chambre de combustion, et les gaz brûlés produits s'écoulent (cf. flèche de flux de combustion 28) des pots vers un conduit de transition 36 qui dirige les gaz brûlés vers les aubes de turbine 16. Chaque pot de combustion 18 comprend une enveloppe de combustion 38 sensiblement cylindrique qui est fixée par son extrémité arrière ouverte au carter de compresseur 14. L'extrémité antérieure du pot de combustion est fermée par le couvercle d'extrémité 26 qui peut comprendre des tubes classiques d'alimentation en combustible, des collecteurs et des vannes associées pour l'alimentation en gaz, en combustible liquide et en air (et en eau, si cela est souhaité) du pot de combustion. Le couvercle 26 porte plusieurs ensembles de buses à combustible 34 pour chaque pot. Par exemple, les buses à combustible peuvent être disposées dans une configuration circulaire autour d'une buse centrale. Ces ensembles de buses peuvent être considérés comme ayant la même structure, au moins à des fins de description du système de fusible. La figure 2 est une vue en perspective d'un ensemble de buse à combustible 34. L'ensemble 34 comprend un corps de buse 40, un collet arrière 42 et une section arrière 44 qui est reliée au couvercle d'extrémité d'un pot de combustion. Le combustible et l'air sont amenés au couvercle qui dirige le combustible vers la section arrière de la buse à combustible. Le collet arrière 42 forme une bague extérieure d'un canal d'air 48 annulaire qui fournit de l'air de prémélange à la chambre de prémélange du pot de combustion. Dans le canal d'air 48 annulaire, sont disposées des ailettes 50 radiales qui communiquent un écoulement en spirale à l'air de prémélange s'écoulant dans le canal 48. Les ailettes 50 comportent des orifices 52 de sortie de combustible (fig. 4), par lesquels le combustible passe de la buse à combustible dans la chambre de prémélange où il se mélange avec l'air s'écoulant dans le canal d'air 48. Un ou plusieurs canaux de gaz combustible et orifices de sortie de combustible peuvent être disposés dans les ailettes 50. La partie avant 46 du corps de buse comprend les orifices antérieurs de buse à combustible, qui envoient le combustible directement dans la chambre de combustion du pot de combustion. La figure 3 est une vue en perspective d'un ensemble de fusible 54 qui est intégré dans l'ensemble de buse à combustible et, plus particulièrement, dans le collet et le corps de buse. Le fusible 54 comprend un arrangement cylindrique de conduites 56 hélicoïdales qui s'étendent depuis un socle de fusible arrière 58 cylindrique, monté sur le collet arrière, jusqu'à un socle avant de fusible et de buse 60 qui est monté dans la partie avant du corps de buse. Les conduites 56 peuvent être soudées aux socles 58, 60. La forme hélicoïdale des conduites 56 leur permet de se dilater ou de se contracter dans le sens axial, par exemple suite à une dilatation thermique. Le socle de fusible arrière 58 comporte des ouvertures 61, 62 qui sont alignées avec un ou des canaux de combustible prévus dans le collet, lorsque le socle de fusible 58 est inséré dans le collet arrière. Le fait de disposer les ouvertures 61, 62 en une ou plusieurs rangées (comme montré dans la figure 3) permet à la pluralité de conduites 56 de recevoir du combustible depuis plusieurs canaux de combustible de prémélange dans le collet 42. Les ouvertures 61, 62 mènent à des canaux respectifs dans le socle 58 et les conduites 56. Le combustible qui vient du canal de combustible et s'écoulerait normalement vers la chambre de prémélange s'écoule à travers le socle de fusible arrière 58 et les conduites 56 hélicoïdales vers le socle de buse 60, lorsque le fusible est activé par une remontée de flamme. Dès lors que le fusible a été activé, le combustible s'écoulant dans les conduites 56 hélicoïdales dévie le combustible de la/des chambre(s) de prémélange, afin d'empêcher la poursuite de la combustion du combustible dans cette/ces chambre(s). Des ouvertures 63, 64 prévues dans le socle avant de fusible et de buse 60 permettent au combustible provenant des conduites 56 hélicoïdales de sortir par la partie avant du corps de buse et d'entrer dans la chambre de combustion. Normalement, les ouvertures 63, 64 sont bloquées pour empêcher l'écoulement de combustible dans les conduites hélicoïdales. Lorsque les ouvertures 64 ne sont pas bloquées, le flux de combustible dans les conduites hélicoïdales dévie le combustible des chambres de prémélange, de manière à éteindre une remontée de flamme ou un maintien de flamme. Le socle avant de fusible et de buse comporte également des buses à air 66 pour l'air sortant de l'avant de la buse à combustible. L'air envoyé forme un rideau d'air autour du combustible s'écoulant depuis la partie avant 46 de la buse à combustible. La figure 4 est une vue de côté en coupe de la buse à combustible et, plus particulièrement, du collet arrière 42 et de la section arrière 44. Le socle arrière de fusible 58 est monté dans le collet arrière. Un canal de gaz 68 cylindrique est délimité par une section tubulaire 69 intérieure qui est alignée avec l'axe de la buse à combustible et s'étend dans la section arrière 44, le collet arrière 42 et le corps de buse 40 de l'ensemble à combustible. Un canal de gaz 70 annulaire est délimité entre le tube intérieur 69 et la paroi extérieure du canal. Le combustible s'écoule dans le canal de gaz combustible 70 annulaire, depuis la section arrière 44 de l'ensemble à combustible jusqu'au collet arrière 42. Comme indiqué par la flèche d'écoulement 72, le gaz combustible s'écoule depuis le canal à gaz 70, à travers les canaux 71 du socle arrière de fusible 58 et les ouvertures 61, 62 menant aux ailettes 50 radiales du collet arrière, sort par les orifices à combustible 52 des ailettes et entre dans la chambre de prémélange. Le gaz s'écoule de la manière indiquée par la flèche 72, à moins que le fusible ait été activé. Une seule flèche d'écoulement 72 est représentée pour indiquer un chemin de gaz de prémélange dans le collet arrière 42 et les canaux dans les ailettes 50. Toutefois, il est possible de prévoir un ou plusieurs chemins de gaz de prémélange dans le collet arrière et les ailettes. Chaque chemin de gaz de prémélange peut être associé à une conduite 56 hélicoïdale différente. D'autre part, chaque chemin de gaz de prémélange peut être associé à une ou plusieurs conduites hélicoïdales. Lorsque le fusible est activé, le gaz s'écoule du canal 70 dans les canaux 71 du socle arrière de fusible 58 et jusqu'aux conduites 56 hélicoïdales, comme indiqué par la flèche d'écoulement 74. Les conduites 56 constituent un chemin d'écoulement qui dévie la majeure partie du combustible du canal 70 pour l'éloigner des ailettes 50 et des orifices à combustible 52. Les conduites 56 hélicoïdales sont disposées dans un canal d'air 76 annulaire, entre le tube 69 du canal de gaz 68 et l'enveloppe extérieure 78 tubulaire du corps de buse 40. L'air entre par les orifices 77 du collet arrière 42 dans le canal d'air 76. L'air s'écoule dans le canal 76, sur les surfaces extérieures des conduites 56 hélicoïdales et jusqu'au socle avant de fusible et de buse. La taille et le nombre de conduites 56 sont prévus tels que l'air s'écoulant dans le canal 76 soit suffisant pour former le rideau de flux d'air qui est nécessaire à l'avant de la buse à combustible. De préférence, les conduites hélicoïdales occupent moins de la moitié du volume du canal 76. La figure 5 est une vue de côté en coupe de la partie avant du corps de buse 40. Les conduites 56 hélicoïdales sont disposées dans le canal d'air 76 annulaire délimité entre le tube intérieur 69 cylindrique du canal de gaz 68 et l'enveloppe 78 tubulaire du corps de buse 40. La forme hélicoïdale des conduites 56 admet une dilatation axiale des conduites. Le socle avant de fusible et de buse 60 est monté entre la paroi du canal de gaz 68 et l'enveloppe 78 tubulaire. Les ouvertures 64 du socle avant de fusible et de buse 60 se trouvent à proximité d'une section affaiblie 80, par exemple une portion annulaire relativement mince, de l'enveloppe 78. Les portions affaiblies 80 peuvent être constituées d'une zone annulaire segmentée de l'enveloppe 78, qui a été usinée pour éliminer une partie de l'épaisseur de la paroi d'enveloppe contiguë aux ouvertures 64 du socle 60. Les portions affaiblies 80 sont susceptibles de se percer en brûlant, en cas de remontée de flamme. Une fois percées, les portions affaiblies 80 ouvertes permettent au combustible de sortir par les ouvertures 64 du socle de fusible et de buse 60 et de s'écouler dans les conduites 56 hélicoïdales. Le flux de combustible dans les conduites hélicoïdales dévie le combustible de la chambre de prémélange et appauvrit et éteint toute flamme survenant dans la chambre de prémélange, pour mettre fin à l'état de remontée de flamme. La paroi cylindrique intérieure du canal de gaz 68 a une extrémité avant qui s'ajuste dans un ensemble de manchon 82 intérieur quasi conique, portant la buse avant 84. Cet ensemble de manchon intérieur admet une dilatation thermique entre la paroi cylindrique du canal de gaz et la buse avant. L'air du canal 76 annulaire s'écoule par le socle avant de fusible et de buse 60 et par des ailettes à tourbillon 86, avant de sortir autour de la face avant des orifices de buse 88 centraux de sortie de combustible pour le canal de gaz 68. REVENDICATIONS1. Ensemble de buse à combustible (34) pour un brûleur (18) d'une turbine à gaz, comprenant : un corps de buse (40) avec une partie avant (46) et un tube intérieur (69) délimitant un canal de combustible (68) qui s'étend à travers le corps de buse, la partie avant se trouvant à proximité d'une section de combustion (30) du brûleur; une enveloppe extérieure (78) disposée autour du tube intérieur, un canal d'air (76) étant délimité entre l'enveloppe extérieure et le tube intérieur; une conduite de gaz (56) qui est agencée dans le canal d'air et comporte un orifice de sortie (66) à proximité de la partie avant du corps de buse, le combustible commençant à s'écouler à travers la conduite dilatable, uniquement après la survenue d'une remontée de flamme dans le brûleur, et un canal de combustible de prémélange (70, 71) et un orifice (61, 62) distribuant le combustible à une section de prémélange (32) du brûleur, la conduite de gaz ayant un orifice d'entrée s'ouvrant sur le canal de combustible de prémélange. 2. Ensemble de buse à combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la conduite (56) se dilate dans le sens de la longueur du canal d'air. 3. Ensemble de buse à combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la conduite (56) présente une forme hélicoïdale. 4. Ensemble de buse à combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la conduite (56) est constituée d'une pluralité de conduites dilatables et le canal de combustible de prémélange est constitué d'une pluralité de canaux, et une première des conduites dilatables comporte un orifice d'entrée s'ouvrant sur un premier des canaux de combustible de prémélange (71), et une deuxième des conduites dilatables comporte un orifice d'entrées'ouvrant sur un deuxième des canaux de combustible de prémélange (70). 5. Ensemble de buse à combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la conduite (56) occupe moins de la moitié du volume du canal d'air. 6. Ensemble de buse à combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe extérieure comporte une zone affaiblie (80) contiguë à un orifice de sortie d'un corps cylindrique comprenant l'orifice de sortie de la conduite, l'état de remontée de flamme ayant pour effet de brûler et percer la zone affaiblie. 7. Procédé d'extinction d'une remontée de flamme dans un brûleur (18) d'une turbine à gaz, le procédé comprenant : l'injection de combustible et d'air comprimé, depuis un ensemble d'injecteur de combustible (34), dans une chambre de prémélange (32) du brûleur, le combustible et l'air comprimé injectés ne brûlant normalement pas dans la chambre de prémélange; la combustion du combustible et de l'air comprimé dans une chambre de combustion (30), en aval de la chambre de prémélange du brûleur; l'alimentation en air de la chambre de combustion, depuis la partie avant (46) de l'ensemble d'injecteur, à travers un canal d'air (76) s'étendant dans un corps de buse (78) de l'injecteur de combustible; l'injection du combustible dans la chambre de combustion, depuis un canal de combustible (68) muni d'un orifice de sortie à l'avant de l'ensemble d'injecteur; l'ouverture d'un orifice de sortie d'une conduite (56), en réaction à une remontée de flamme à proximité de l'ensemble d'injecteur de combustible, l'orifice de sortie se trouvant à proximité de la partie avant de l'ensemble d'injecteur, et la conduite s'étendant dans le canal d'air; la déviation du combustible de la chambre de prémélange vers la conduite, en ouvrant l'orifice de sortie, et l'extinction des flammes de la remontée de flamme, par déviation du combustible. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre la dilatation de la conduite (56) dans le sens de la longueur axiale, en réaction aux conditions thermiques. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que 5 la conduite (56) présente une forme hélicoïdale et est enroulée autour du canal de combustible. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'air du canal d'air (78) sort par des buses, situées dans la partie avant de l'ensemble de buse à combustible, et forme un rideau d'air.