Brevet FR3049044A1 — publié le 20170922

La présente invention se rapporte à une chambre de combustion d'une turbine, notamment d'une turbine à cycle thermodynamique avec récupérateur, pour la production d'énergie, notamment d'énergie électrique. Elle concerne plus particulièrement une microturbine avec récupérateur pour la production d'électricité à partir d'un combustible liquide ou gazeux. Généralement, il est entendu par microturbine une turbine de petite puissance usuellement inférieure à 200KW. Comme mieux décrit dans la demande WO 2012/039611, une turbine avec récupérateur comprend généralement au moins un étage de compression avec au moins un compresseur, une chambre de combustion (ou brûleur), au moins un étage de détente avec au moins une turbine de détente, un dispositif d'échange de chaleur (ou récupérateur) entre le compresseur et le brûleur permettant de chauffer les gaz comprimés par le compresseur pour les envoyer avec une température élevée au brûleur, ce dispositif d'échange étant parcouru par les gaz chauds provenant de la turbine. Tel que cela est décrit dans la demande précitée, le brûleur comprend un boîtier extérieur au travers duquel circule l'air comprimé chaud provenant du récupérateur et d'un tube à flamme, situé à l'intérieur de ce boîtier, au sein duquel a lieu la combustion. Le tube à flamme comprend une zone primaire qui reçoit une partie du débit d'air comprimé chaud total et dans laquelle se produit la combustion et une zone de dilution où a lieu le mélange entre les gaz brûlés issus de la zone primaire et des gaz comprimés chauds provenant de trous de dilution prévus sur le tube. La zone primaire comprend en outre un diffuseur perforé permettant le passage de l'air comprimé chaud ainsi que du combustible provenant d'un système d'injection de combustible (liquide ou gazeux) placé en amont du 30 diffuseur. Généralement, une turbine avec récupérateur présente un faible taux de compression (de l'ordre de 3 à 5 bars de pression) et des températures faibles en 3049044 2 entrée de la turbine en comparaison des turbines à gaz aéronautiques ou stationnaires hautes puissances. L'une des conséquences de ces caractéristiques de fonctionnement est la 5 richesse globale dans la chambre de combustion, inférieure à 0,20 en général, c'est-à-dire en-deçà des limites d'inflammabilité du combustible. De plus, se pose le problème de la pré-vaporisation du combustible dans le cas d'un combustible liquide. 10 Généralement, le mode de combustion permettant d'atteindre de faibles émissions est la combustion pré-mélangée avec richesse pauvre. Cependant, ce type de combustion pose d'importants problèmes quant à la stabilisation de la flamme. Ces problèmes sont d'autant plus renforcés par l'action du récupérateur qui augmente la température de l'air en entrée du brûleur en 15 accentuant les risques d'instabilité de la flamme. De plus, le coût de conception est également un verrou. En effet, ce type de chambre est caractérisé par une forte interaction entre la flamme et la paroi ce qui nécessite le choix de matériaux onéreux sur un important volume et un système 20 de refroidissement des parois du brûleur généralement constitué de multiple trous servant à créer un coussin d'air entre la flamme et la paroi. Ce système de refroidissement entraine un surcoût non négligeable dans le processus de fabrication ainsi qu'une complexité de réalisation. 25 Tous ces inconvénients rendent difficile une combustion complète et le respect des exigences de faibles émissions en terme de d'oxydes d'azote (NOx), d'oxyde de carbone (CO), d'hydrocarbures imbrûlés (HC) et de particules (PM). Pour améliorer les turbines précitées, le demandeur a proposé une nouvelle 30 chambre de combustion d'une turbine, comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet FR 15/59314. Cette chambre de combustion comporte un boîtier logeant un tube à flamme avec un diffuseur perforé pour le passage de l'air comprimé chaud, un 3049044 3 stabilisateur de flamme, des passages de recirculation de gaz de combustion, un tube de mélange et un moyen d'injection d'un combustible. Le demandeur a encore plus amélioré la chambre de combustion de la 5 demande de brevet précitée de manière à obtenir une réduction accrue des polluants résultant de la combustion, une absence de particules de suies à l'échappement avec les techniques de mesures usuelles, une réduction de bruit de combustion et une réduction des gradients de température en entrée de la turbine. 10 A cet effet, la présente invention concerne une chambre de combustion d'une turbine, notamment d'une turbine à cycle thermodynamique avec récupérateur, pour la production d'énergie, en particulier d'énergie électrique, comportant un boîtier logeant un tube à flamme avec une cloison de diffusion portant un stabilisateur de flamme comprenant un diffuseur d'air perforé et un tube 15 mélangeur, ladite chambre comportant en outre un moyen d'injection d'au moins un combustible, caractérisée en ce que le diffuseur perforé comprend au moins deux rangées circonférentielles de trous. Le diffuseur peut comprendre un alésage pour le passage du combustible et 20 les rangées circonférentielles de trous peuvent être disposées concentriquement audit alésage. Le diffuseur peut comprendre une rangée de trous dont l'ouverture est plus petite que l'ouverture des trous de l'autre rangée. 25 Le diffuseur peut comprendre une rangée de trous dont le nombre est plus élevé que le nombre de trous de l'autre rangée. Le diffuseur peut comprendre des trous avec une forme selon une courbe 30 fermée. Le diffuseur peut comprendre des trous dont l'écart angulaire entre deux trous voisins d'une rangée est un multiple ou un sous multiple de l'écart angulaire entre deux trous de l'autre rangée. 3049044 4 Le diffuseur perforé peut porter le tube mélangeur par des bras. L'invention concerne également une turbine, notamment d'une turbine à 5 cycle thermodynamique avec récupérateur, pour la production d'énergie, en particulier d'énergie électrique, comprenant au moins un étage de compression avec au moins un compresseur de gaz, un échangeur de chaleur, une chambre de combustion alimentée en combustible par au moins un réservoir, au moins un étage de détente avec au moins une turbine de détente reliée par un arbre au 10 compresseur, et un moyen de production d'énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de combustion comme définie précédemment. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement 15 illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui est un schéma illustrant une turbine avec une chambre de combustion selon l'invention pour la production d'énergie, notamment d'énergie électrique, - la figure 2 qui est une vue en coupe axiale montrant la chambre de 20 combustion selon l'invention, - la figure 3 qui est une vue en perspective d'un élément de la chambre de combustion selon l'invention et - la figure 4 qui est une vue latérale selon la flèche A de l'élément de la chambre de combustion de la figure 3. 25 Sur la figure 1, la turbine illustrée est plus particulièrement une microturbine 10, fonctionnant à partir d'au moins un combustible, tel qu'un combustible liquide, par exemple de type gazole, ou un combustible gazeux, tel que du gaz naturel. La turbine comprend au moins un étage de compression 12 avec au moins un compresseur de gaz 14, un échangeur de chaleur 16 (ou récupérateur), une chambre de combustion 18 (ou brûleur) alimentée en combustible par au moins un réservoir 20, au moins un étage de détente 22 avec au moins une turbine de détente 24 reliée par un arbre 26 au compresseur. Cette turbine comprend 3049044 5 également un moyen de production d'énergie, ici électrique, qui comporte une génératrice électrique 28 placée avantageusement sur l'arbre 26 entre le compresseur et la turbine. 5 Bien entendu, cette génératrice peut être alternativement reliée à la turbine de détente ou au compresseur par un arbre autre que celui reliant la turbine et le compresseur. Le compresseur 14 comprend une entrée 30 de gaz frais contenant de 10 l'oxygène, ici de l'air extérieur généralement à température ambiante, et une sortie d'air comprimé 32 aboutissant à une entrée d'air comprimé 34 de l'échangeur 16. La sortie d'air comprimé chaud 36 de l'échangeur 16 arrive à une admission d'air comprimé chaud 38 du brûleur 18. La sortie de gaz surchauffés 40 du brûleur est connectée à l'entrée 42 de la turbine dont la sortie 44 est reliée à une autre entrée 15 46 de l'échangeur. L'échangeur 16 comprend également une sortie de gaz refroidis 48 pour être dirigés vers tous moyens d'évacuation et de traitement, comme une cheminée (non représentée). En se rapportant à la figure 2, le brûleur 18 comprend un boîtier extérieur 50, 20 ici de forme cylindrique, fermé à l'une de ses extrémités par une cloison porte- injecteur 52 et à l'autre de ses extrémités par une cloison 54 avec une ouverture 56 de diamètre inférieur à celui du boîtier 50. Ce brûleur comprend également un tube à flamme 58, ici également de forme sensiblement cylindrique, logé coaxialement dans le boîtier en étant de diamètre inférieur au boîtier mais de 25 diamètre identique à celui de l'ouverture 56 de la cloison annulaire 54. Ce tube comprend une extrémité fermée par une cloison de diffusion 60 en regard et à distance de la cloison porte-injecteur 52 et une extrémité ouverte 62 qui traverse la cloison annulaire en coopérant à étanchéité avec le diamètre intérieur de cette cloison annulaire pour former la sortie 40 de ce brûleur. 30 Le boîtier porte, sur sa périphérie et à proximité de la cloison annulaire 54, l'admission d'air comprimé chaud 38 pour introduire cet air dans l'espace formé entre le boîtier et le tube à flamme ainsi que dans l'espace formé entre la cloison porte-injecteur et la cloison de diffusion. 3049044 6 Comme mieux illustré sur la figure 2, la cloison porte-injecteur comprend une plaque 64, au travers de laquelle est monté un moyen d'injection 66 d'au moins un combustible, ici sous la forme d'un injecteur coaxial au tube à flamme. Cette 5 plaque est entourée d'une paroi déflectrice d'air 68, ici semi-torique dont la concavité est dirigée vers le tube à flamme et qui est reliée à la périphérie du boîtier. Le tube à flamme comprend des rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux 70 placés à distance de la cloison de diffusion 60 et à proximité de 10 la cloison annulaire du boîtier en étant reparties régulièrement avantageusement en regard de l'admission 38. Ce tube à flamme comprend également un stabilisateur de flamme 72 qui est placé sur la cloison de diffusion 60 et à l'intérieur du tube en étant logé dans un orifice 74 prévu dans cette cloison de diffusion. 15 Le brûleur comprend également un dispositif d'allumage 76 pour un mélange carburé. A titre d'exemple, ce dispositif peut être une bougie du type pour moteur à combustion interne à allumage commandé, une bougie de préchauffage, des électrodes d'allumage, ... 20 On se rapporte maintenant en plus aux figures 3 et 4 qui illustrent un exemple de réalisation de stabilisateur de flamme 72. Ce stabilisateur comprend un diffuseur d'air perforé 78 sous la forme d'une 25 semelle circulaire plane 80 prévue pour être logée dans l'orifice 74 de la cloison de diffusion 60. Cette semelle comprend un alésage axial central 82 pour le passage du combustible provenant de l'injecteur 64 et comporte une multiplicité de trous 84 30 qui traversent l'épaisseur de la semelle en étant de même direction axial que celle de l'alésage. Comme mieux visible sur ces figures, les trous 84 sont répartis selon une multiplicité de rangées circonférentielles concentriques à l'alésage 82. 3049044 7 L'exemple illustré sur ces figures montrent que ces trous sont réparties régulièrement circonférentiellement selon deux rangées circonférentielles Cl et C2. Une des rangées Cl de trous, baptisée rangée externe, qui est située le plus 5 près du bord externe de la semelle, comprend des trous 84a qui ont une ouverture qui est plus petite que l'ouverture des trous 84b de l'autre rangée C2 de trous. Plus précisément, les trous sont de forme circulaire et les trous 84a de la rangée externe ont un diamètre D1 qui est plus petit que le diamètre D2 des trous 84b de l'autre rangée C2 de trous. 10 Les trous 84a de la rangée externe Cl sont avantageusement en plus grand nombre que ceux de la rangée interne C2 Dans l'exemple illustré, les trous 84a sont deux fois plus nombreux que ceux de la rangée interne. 15 Bien entendu, la forme des trous 84a, 84b n'est pas limitée à celle de la forme circulaire, comme illustrée sur les figures, mais peut être une toute autre forme avec une courbe fermée, comme une forme carrée, ellipsoïdale, trapézoïdale, triangulaire, etc. 20 De même, l'écart angulaire circonférentiel entre deux trous voisins peut être constant ou variable tout au long de la rangée. Enfin, l'écart angulaire entre deux trous voisins d'une rangée peut être un multiple ou un sous multiple de l'écart angulaire entre deux trous de l'autre rangée. 25 Ainsi pour la rangée externe, l'écart angulaire a entre deux trous voisins 84a de la rangée externe est la moitié de l'angle 13 entre deux trous voisins de la rangée interne. En revenant à la figure 3, la semelle 80 se poursuit dans une direction axiale 30 et à l'opposé de la cloison par des bras axiaux 86, ici trois bras disposés à 120° les uns des autres, et portant à leurs extrémités un tube mélangeur 88 de diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du tube à flamme 58. 3049044 8 Il peut aussi être prévu que le tube mélangeur 88 soit relié par des bras radiaux au tube à flamme 58 au lieu d'être relié à la semelle En fonctionnement, le combustible, ici sous forme liquide, est injecté par 5 l'injecteur 64 en direction de la semelle perforée 80 pour traverser le trou central 82. L'air comprimé chaud provenant de l'admission 38 pénètre dans l'espace 90 entre les cloisons, est ensuite dévié par la paroi déflectrice 68. Cet air traverse ensuite les trous 84a et 84b de la semelle et est dirigé dans le tube mélangeur 88 dans lequel a lieu l'évaporation du combustible liquide, puis la combustion. 10 Grâce à la disposition des rangées de trous, les recirculations autour de l'accroche flamme sont favorisées et la vitesse de passage de l'air est relativement importante. 15 De plus, la localisation d'une rangée de trous qui viennent raser le tube accroche flamme permet d'augmenter le débit qui circule. Ainsi en favorisant les recirculations et avec une vitesse d'air suffisante, - on évite la stabilisation de la flamme dans l'accroche flamme, ce qui conduit 20 à une structure de type flamme jet diffusive, - on recircule des gaz brûlés qui favorisent l'évaporation, et plus généralement le mélange, et les gouttes de combustible sont évaporées avant d'arriver dans la flamme, - on a une combustion relativement prémélangée, c'est-à-dire sans zones 25 riches donc avec des productions de polluants faibles, - la chambre de combustion peut fonctionner à des richesses moyennes faibles, par exemple à 0,35 en limite de stabilité. REVENDICATIONS1) Chambre de combustion (18) d'une turbine, notamment d'une turbine à cycle thermodynamique avec récupérateur, pour la production d'énergie, en particulier d'énergie électrique, comportant un boîtier (50) logeant un tube à flamme (58) avec une cloison de diffusion (60) portant un stabilisateur de flamme (72) comprenant un diffuseur d'air perforé (78) et un tube mélangeur (88), ladite chambre comportant en outre un moyen d'injection (64) d'au moins un combustible, caractérisée en ce que le diffuseur perforé (78) comprend au moins deux rangées circonférentielles (C1, C2) de trous (84; 84a, 84b). 2) Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diffuseur comprend un alésage (82) pour le passage du combustible et en ce que les rangées circonférentielles (C1, C2) de trous sont disposées concentriquement audit alésage. 3) Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le diffuseur comprend une rangée (C1) de trous (84a) dont l'ouverture (D1) est plus petite que l'ouverture (D2) des trous (84b) de l'autre rangée (C2). 4) Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diffuseur comprend une rangée (C1) de trous (84a) dont le nombre est plus élevé que le nombre de trous (84b) de l'autre rangée. 5) Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diffuseur comprend des trous (84; 84a, 84b) avec une forme selon une courbe fermée. 6) Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diffuseur comprend des trous (84a, 8b) dont l'écart angulaire (a, 13) entre deux trous voisins (84a) d'une rangée est un multiple ou un sous multiple de l'écart angulaire (13, a) entre deux trous (84b) de l'autre rangée. 3049044 10 7) Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diffuseur perforé (78) porte le tube mélangeur (88) par des bras (86). 5 8) Turbine, notamment d'une turbine à cycle thermodynamique avec récupérateur, pour la production d'énergie, en particulier d'énergie électrique, comprenant au moins un étage de compression (12) avec au moins un compresseur de gaz (14), un échangeur de chaleur (16), une chambre de combustion (18) alimentée en combustible par au moins un réservoir (20), au 10 moins un étage de détente (22) avec au moins une turbine de détente (24) reliée par un arbre (26) au compresseur, et un moyen de production d'énergie (28), caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de combustion (18) selon l'une des revendications précédentes.