Brevet FR2934034A1 — publié le 20100122

B09-2515FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Prémélangeur de turbine à gaz avec sites d'injection de carburant en cratère Invention de : CHILA Ronald Jones BUNKER Ronald Scott INTILE John Charles Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 21 juillet 2008 sous le n° 12/176.510 Prémélangeur de turbine à gaz avec sites d'injection de carburant en cratère L'invention concerne de façon générale le rendement de mélange et la résistance accrue au retour de flamme/stabilisation de flamme dans une turbine à gaz et plus particulièrement, un prémélangeur pour une chambre de combustion de turbine à gaz incluant des sites d'injection de carburant en cratère. Dans les prémélangeurs existants pour chambres de combustion de turbine à gaz, des jets de carburant émanent d'un tube de carburant ou d'une aube de turbulence et évoquent un jet d'un écoulement croisé. Les jets de carburant comportent typiquement des régions de sillage relativement grandes associées à ceux-ci. Le jet de carburant est mélangé par l'intermédiaire de l'écoulement turbulent tourbillonnaire dans les passages de prémélangeur et par l'intermédiaire de l'évolution du jet de carburant en structures verticales cohérentes. La masse de ce mélange se crée en aval du site d'injection. Le rendement d'un prémélangeur est un problème de conception important en ce que les émissions de NOx sont directement liées aux niveaux de mélange. Dans un exemple de mode de réalisation, un prémélangeur pour une chambre de combustion de turbine à gaz comporte un dispositif de turbulence incluant une pluralité d'aubes droites ou courbes influant sur les caractéristiques de vitesse d'un écoulement d'air traversant le prémélangeur et au moins un site d'injection de carburant permettant de mélanger le carburant avec l'écoulement d'air dans le prémélangeur. Le site d'injection de carburant se termine par un trou en cratère. Dans un autre exemple de mode de réalisation, un procédé d'amélioration de la résistance au retour de flamme et de stabilisation de flamme dans une chambre de combustion de turbine à gaz comporte une étape de formation d'au moins un trou en cratère à une extrémité d'écoulement d'air d'un site d'injection de carburant dans un prémélangeur. Dans encore un autre exemple de mode de réalisation, un prémélangeur pour une chambre de combustion de turbine à gaz comporte un dispositif de turbulence incluant une pluralité d'aubes droites ou courbes influant sur les caractéristiques de vitesse de l'écoulement d'air à travers le prémélangeur, une pluralité de sites d'injection de carburant permettant de mélanger le carburant avec l'écoulement d'air dans le prémélangeur et un trou en cratère formé à l'extrémité d'au moins l'un des sites d'injection de carburant sur une surface d'au moins l'une des aubes courbes. La figure 1 est une vue en perspective d'un prémélangeur pour une chambre de combustion de turbine à gaz ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un site d'injection de carburant se terminant par un trou en cratère ; et - la figure 3 illustre les caractéristiques de mélange utilisant des trous en cratère par rapport à des trous rectilignes classiques. La figure 1 est une vue en perspective d'un prémélangeur de turbine à gaz 10. Les prémélangeurs typiques 10 sont munis d'un dispositif de turbulence 12, partant du moyeu 11 et se terminant sur la protection 13 incluant un ensemble d'aubes droites ou courbes 14 pouvant ajouter une vitesse de tourbillonnement à l'écoulement d'air traversant le prémélangeur 10. Le mouvement de tourbillonnement améliore le mélange et assure la stabilisation de la flamme en aval dans la chambre de combustion. Des sites d'injection de carburant 16 sont également typiquement formés dans les aubes courbes 14, avec des passages de fourniture de carburant habituellement situés radialement à l'intérieur du moyeu du prémélangeur incluant également des cavités avec les aubes courbes. On a découvert qu'un trou en cratère à une extrémité de terminaison des sites d'injection de carburant sert à augmenter les effets de mélange locaux et de masse. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un site d'injection de carburant incluant un trou de carburant cylindrique 30 se terminant par un trou en cratère 32 formé sur une surface adjacente à l'écoulement d'air traversant le prémélangeur 10. Le trou en cratère peut être incorporé dans le prémélangeur de la chambre de combustion par l'intermédiaire d'un multiple quelconque de processus de fabrication acceptables, incluant par exemple une forme quelconque de perçage standard ou au laser, un usinage par électroérosion (EDM), un moulage ou analogue. Selon la présente description, le terme � trou en cratère � se réfère à une quelconque ouverture ou trou d'une taille supérieure au trou de carburant 30 à travers lequel du carburant est injecté dans l'écoulement d'air. Les trous en cratère 32 peuvent être formés selon une quelconque combinaison de formes et d'orientations et on peut également faire varier la taille et la profondeur des cratères. Le terme est destiné de plus à inclure une conception de cratère ou puits bidimensionnel pouvant être utilisé à la place de ou en combinaison avec des cratères discrets. La profondeur du cratère ou puits 32 est située de préférence dans la plage allant de 0,5D à 1,5D, D étant le diamètre du trou 30 (à savoir, le diamètre de gorge interne et non le diamètre de l'encombrement de surface). Le diamètre moyen effectif du cratère est situé de préférence dans la plage allant de 1,5D à 3D. Le diamètre effectif moyen est le diamètre circulaire équivalent pour l'aire réelle, quelle que soit la forme de l'aire. Dans la construction d'un puits, la largeur du puits est située de préférence dans la plage allant de 1D à 3D. Avec la construction du puits, une largeur de 1D est possible si l'axe du trou 30 est orienté dans le sens de la longueur du puits. Le placement du cratère ou puits 32 par rapport au trou 30 doit être de préférence tel que la distance entre le bord aval du trou et le bord du cratère se situe dans la plage allant de 0 à 1D. Dans ce contexte, � aval � est défini comme la direction de l'injection du jet de carburant. Dans la construction du puits, si le trou 30 est orienté le long de la longueur du puits, cette plage est alors sans importance ou tend vers l'infini. La configuration est toutefois avantageuse, en particulier vis-à-vis de la facilité de fabrication. La plage allant de 0 à 1D s'applique de préférence lorsque l'axe du trou 30 est orienté transversalement par rapport au sens de la longueur du puits. Comme indiqué, la forme du cratère 32 peut varier d'un puits circulaire à un puits linéaire avec toutes les variantes comprises, et de préférence, la distance entre des trous adjacents 30 n'est pas supérieure à 3D. Si l'espacement des trous adjacents est supérieur à 3D, alors la forme du cratère peut varier de circulaire à elliptique, carrée, oblongue, etc., en restant dans les limites de la plage de diamètres moyens effectifs. La forme du puits peut varier d'une forme linéaire à un placement de bord en dent de scie ou périodique, de préférence de nouveau avec une plage de largeurs suivant toujours les valeurs recommandées. Du carburant est injecté à travers les trous cylindriques de carburant 30 par l'intermédiaire d'un multiple quelconque des trous en cratère 32, où l'on fait varier le nombre et la combinaison des formes et de l'orientation des trous en cratère pour obtenir un taux de mélange accru sans compromettre la marge de stabilisation de flamme ou la chute de pression. On peut également faire varier le sens d'injection de carburant par rapport à l'écoulement d'air. En utilisant des trous en cratère pour le prémélange, l'extension latérale (mélange) du carburant est fortement améliorée. Des distances de mélange plus courtes autorisent les longueurs de combustion plus courtes et ainsi réduisent le temps de résidence. En conséquence, les trous en cratère servent de moyen pour réduire les émissions de NOx. Les trous en cratère permettent également au carburant de se déposer de manière adjacente à la surface du prémélangeur, fournissant un mélange riche adjacent à la surface du prémélangeur. Le mélange riche procure une résistance accrue au retour de flamme/stabilisation de flamme. Les trous de carburant en cratère 32 peuvent être formés sur la surface des aubes courbes 14 ou sur un quelconque site d'injection de carburant situé dans le prémélangeur incluant les moyeux adjacents 11 ou protection 13 de l'aube (voir la figure 1). Avec les trous de carburant en cratère, le jet de carburant peut s'étendre sur une concavité de surface avant injection du courant principal. Cette extension couplée avec l'interaction du courant de carburant avec la lèvre de la concavité de surface conduit à un mélange amélioré, entraînant des émissions de NOx réduites, ce qui constitue l'un des principaux objectifs de conception des chambres de combustion des turbines à gaz modernes. La figure 3 montre une comparaison entre les sites d'injection de carburant à travers des trous rectilignes dans l'écoulement d'air en fonction des sites d'injection de carburant incluant des trous en cratère. Comme on le voit sur la figure 3, les trous en cratère réduisent les effets de pénétration et de faiblesse du jet, procurant une résistance accrue au retour de flamme/stabilisation de flamme. Les trous de carburant en cratère peuvent également faciliter la réduction de la pression ou du rapport de pression de fourniture de carburant global, facilitant ainsi la réduction de la dynamique de combustion. D'après la figure 3, il est clair que les trous en cratère fournissent une étendue latérale accrue du carburant dans le prémélangeur, ayant pour conséquence des distances de mélange et des temps de résidence plus courts. Sur un mélange amélioré, les essais effectués avec des trous en cratère montrent une étendue latérale des jets (carburant) deux à trois fois plus grande que sans les cratères. Les trous de carburant en cratère peuvent également être formés comme une caractéristique pouvant être améliorée pouvant s'appliquer aux conceptions de chambre de combustion et pouvant également être utilisée à la demande lorsque des problèmes de formation de flamme apparaissent dans les chambres de combustion existantes. En formant des trous en cratère en tant que partie d'un site de carburant, on peut obtenir un mélange de carburant avec écoulement d'air plus rapide et complet. La construction diminue également le jet dans l'effet d'écoulement croisé (pénétration et affaiblissement) tout en maintenant toujours de hauts niveaux de mélange et ainsi de rendement du prémélangeur. En réduisant le jet dans les effets d'écoulement croisé, un mélange riche peut être maintenu adjacent à la surface du prémélangeur (aube courbe). Les zones de remise en circulation du côté aval des jets sont également réduites. Le mélange plus riche adjacent à la paroi et la réduction des zones de faible vitesse ont tendance à accroître la résistance au retour de flamme/stabilisation de flamme. LISTE DES PIÈCES Prémélangeur de turbine à gaz 10 Moyeu 11 Dispositif de turbulence 12 Protection 13 Aubes droites ou courbes 14 Sites d'injection de carburant 16 Trou de carburant cylindrique 30 Trou en cratère 32 REVENDICATIONS1. Prémélangeur pour une chambre de combustion de turbine à gaz, le prémélangeur comprenant : un dispositif de turbulence (12) incluant une pluralité d'aubes droites ou courbes (14) influant sur les caractéristiques de vitesse d'un écoulement d'air traversant le prémélangeur ; et au moins un site d'injection de carburant (16) permettant de mélanger le carburant avec l'écoulement d'air dans le prémélangeur, dans lequel le site d'injection de carburant se termine par un trou en cratère (32). 2. Prémélangeur selon la revendication 1, dans lequel le site d'injection de carburant (16) est positionné sur l'une des aubes courbes. 3. Prémélangeur selon la revendication 1, comprenant en outre une pluralité de sites d'injection de carburant (16) se terminant dans des trous en cratère respectifs (32). 4. Prémélangeur selon la revendication 3, dans lequel le nombre de sites d'injection de carburant (16) est déterminé de manière à obtenir un taux de mélange amélioré. 5. Prémélangeur selon la revendication 3, dans lequel le nombre de sites d'injection de carburant (16) et une combinaison de la forme et de l'orientation des trous en cratère (32) sont déterminés de manière à obtenir un taux de mélange amélioré. 6. Prémélangeur selon la revendication 3, dans lequel le nombre de sites d'injection de carburant (16) et la taille et la profondeur des trous en cratère (32) sont déterminés de manière à obtenir un taux de mélange amélioré. 7. Prémélangeur selon la revendication 1, dans lequel on fait varier la direction d'injection de carburant par rapport à la direction de l'écoulement d'air pour obtenir un taux de mélange amélioré. 8. Procédé d'amélioration de la résistance au retour de flamme et de stabilisation de flamme dans une chambre de combustion de turbine à gaz, le procédé comprenant la formation d'au moins un trouen cratère (32) à une extrémité d'écoulement d'air d'un site d'injection de carburant (16) dans un prémélangeur. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le trou en cratère (32) est formé par perçage standard, perçage au laser ou usinage par électroérosion (EDM). 10. Prémélangeur pour une chambre de combustion de turbine à gaz, le prémélangeur comprenant : un dispositif de turbulence (12) incluant une pluralité d'aubes droites ou courbes (14) influant sur les caractéristiques de vitesse de l'écoulement d'air à travers le prémélangeur ; une pluralité de sites d'injection de carburant (16) permettant de mélanger le carburant avec l'écoulement d'air dans le prémélangeur et un trou en cratère (32) formé à l'extrémité d'au moins l'un des sites d'injection de carburant sur une surface d'au moins l'une des aubes courbes.