Brevet FR3054645A1 — publié le 20180202

B09-0699FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système de combustion à injection directe de mélange pauvre Invention de : LACY Benjamin P. VARATHARAJAN Balachandar ZIMINSKY Willy Steve KRAEMER Gilbert O. BOARDMAN Gregory Allen YILMAZ Ertan MELTON Patrick Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 12mars 2008 sous le n°12/073.939 3054645 2 Système de combustion à injection directe de mélange pauvre La présente invention concerne les turbines à vapeur et, plus particulièrement, un système de combustion à injection directe de mélange pauvre (IDP) utilisant un type d'échangeur de chaleur à tubes et calandre pour acheminer du combustible et de l'air jusqu'à la chambre de combustion. La plupart des procédés de combustion comportent, d'une manière ou d'une autre, une zone de flux de recirculation. La zone de flux de recirculation a tendance à stabiliser la zone de réaction de combustion, mais une zone de recirculation inutilement grande risque de provoquer de fortes émissions d'oxydes d'azote (NOS) par les systèmes de combustion. On sait que l'injection directe de mélange pauvre donne une possibilité de réduire les émissions de NOS. Cependant, construire une chambre de combustion pour injecter d'une manière simple et uniforme de nombreux courants de combustible et d'air est une gageure. Ordinairement, les chambres de combustion sans prémélange utilisent de multiples passages de combustible pour injecter du combustible depuis un diffuseur dans de l'air passant par une bague extérieure du diffuseur. Cela nécessite de multiples diffuseurs avec de multiples passages séparés pour l'air et le combustible, tous montés lors d'un assemblage initial compliqué. Le système de combustion à IDP à tubes et calandre selon la présente invention constitue un moyen pour construire facilement un système de combustion composé de nombreux ensembles d'injecteurs IDP avec un écoulement uniforme d'air et de combustible dans tous les passages à l'aide d'un concept semblable à celui d'un échangeur de chaleur du type à tubes et calandre. Un échangeur de chaleur à tubes et calandre est constitué d'une plaque contenant un faisceau de tubes. Un premier fluide passe dans les tubes et un autre fluide passe sur les tubes, traverse la calandre, afin de transférer de la chaleur entre les deux fluides. 3054645 3 La présente invention porte sur un système de combustion à injection directe de mélange pauvre (IDP) utilisant un échangeur de chaleur du type à tubes et calandre pour construire un injecteur direct de 5 mélange pauvre ("IDP") à tubes et calandre utilisé avec le système de combustion. Selon la présente invention, un premier côté de l'injecteur, soit la calandre soit les tubes, achemine un oxydant tel que de l'air jusqu'à une chambre de combustion, tandis que l'autre côté de l'injecteur IDP achemine du combustible jusqu'à la chambre de combustion. Les 10 tubes acheminent l'oxydant (ou le combustible, ou un diluant ou des combinaisons de ceux-ci) jusqu'à la chambre de combustion, tandis que des trous droits ou obliques percés ou autrement ménagés dans une plaque d'extrémité de la chambre de combustion permettent au combustible (ou à l'oxydant, ou au diluant ou à des combinaisons de 15 ceux-ci) d'entrer dans la chambre de combustion depuis la calandre. Des techniques de construction d'échangeurs de chaleur, comme le brasage ou le soudage, sont utilisées pour assembler les pièces du système de combustion à IDP. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description 20 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 partielle en coupe, en perspective, d'une première forme de réalisation du système de combustion à tubes et calandre à injection directe de mélange pauvre selon la présente 25 invention ; - la figure 2 est une autre vue partielle en coupe, en perspective de la forme de réalisation du système de combustion à tubes et calandre à injection directe de mélange pauvre de la figure 1, représentant des trous dans la plaque d'extrémité de la chambre de combustion pour 30 introduire, dans la chambre de combustion, du combustible depuis le côté calandre et de l'air depuis le côté tubes ; - la figure 2A est une vue schématique en coupe qui illustre deux procédés différents pour ménager des trous pour combustible et air dans la plaque d'extrémité de la chambre de combustion ; 3054645 4 - la figure 3 représente une autre forme possible de réalisation de la forme de réalisation du système de combustion à tubes et calandre à IDP, dans laquelle des plaques de plus en plus grandes sont emboîtées les unes dans les autres et sont utilisées avec des groupes de tubes 5 correspondants ; - la figure 4 représente une autre forme possible de réalisation de la forme de réalisation du système de combustion à tubes et calandre à IDP, dans laquelle des, pour former les tubes, on utilise des tubes aplatis ou des barres/des tôles fortes ou de la tôle à ailettes ; et 10 - les figures 5A à 5D représentent encore une autre forme possible de réalisation de la forme de réalisation du système de combustion à tubes et calandre à IDP, qui utilise un ensemble d'IDP à tubes et calandre qui comprend un ensemble de plaques dans lequel est inséré un ensemble de tubes. 15 La figure 1 est une vue partielle en coupe, en perspective, d'une première forme de réalisation du système de combustion 10 à tubes et calandre à injection directe de mélange pauvre selon la présente invention. Le système de combustion 10 à tubes et calandre à IDP comprend une chambre de combustion 12 et un injecteur direct 14 de 20 mélange pauvre à tubes et calandre qui achemine jusqu'à la chambre de combustion 12 du combustible et un oxydant tel que de l'air. L'IDP 14 à tubes et calandre est constitué d'une calandre 16 et d'un faisceau ou d'une pluralité de tubes 16 disposés à l'intérieur de la calandre 16. Dans la forme de réalisation de l'IDP 14 représentée sur la 25 figure 1, le combustible est acheminé jusqu'à la chambre de combustion 12 par le "côté tubes" de l'IDP 14. Cependant, selon une autre possibilité, l'un ou l'autre côté pourrait contenir du combustible, de l'air ou un diluant ou n'importe quelle combinaison de ceux-ci. La figure 2 est une autre vue partielle en coupe, en perspective 30 de la forme de réalisation du système de combustion 10 à tubes et calandre à injection directe de mélange pauvre de la figure 1, représentant deux ensembles de trous dans une plaque d'extrémité de la chambre de combustion 12 pour introduire, dans la chambre de 3054645 5 combustion 12, du combustible depuis le côté calandre 16 et de l'air depuis le côté tubes 18. La pluralité de tubes 18 à l'intérieur de la calandre 16 s'étendent sur tout l'intérieur de la calandre 16 depuis une première plaque 5 d'extrémité 20 de la calandre 16 jusqu'à une seconde plaque d'extrémité 22 de la calandre 16. La première plaque d'extrémité comporte une pluralité de trous 24 percés ou autrement ménagés dans celle-ci et dans lesquels aboutissent des premières extrémités 26 des tubes 18. La pluralité de trous 24 de la plaque d'extrémité 20 correspondent, en 10 nombre, à la pluralité de tubes 18 à l'intérieur de la calandre 16. La seconde plaque d'extrémité 22 de la calandre 16 comporte aussi une pluralité de trous 30 percés ou autrement ménagés dans celle-ci et dans lesquels aboutissent des secondes extrémités 38 des tubes 18. Au voisinage immédiat de la plaque d'extrémité 22 de la calandre 15 16 se trouve une plaque ou un capot d'extrémité 32 de la chambre de combustion 12. La plaque d'extrémité 32 est représentée par transparence sur les figures 1 et 2, afin de pouvoir commodément illustrer les trous présents dans la plaque d'extrémité 32 pour injecter du combustible et de l'air dans la chambre de combustion 12. 20 De l'air entre dans la chambre de combustion 12 par le côté tubes 18 de l'IDP 14 de la forme de réalisation du système de combustion 10 représentée sur les figures 1 et 2. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, une pluralité de tous 34 sont percés ou autrement ménagés dans la plaque d'extrémité 32. Les trous 34 correspondent, par leur nombre et 25 leur disposition, aux trous 30 de la plaque d'extrémité 22. De la sorte, les trous 34 peuvent servir à injecter de l'air dans la chambre de combustion 12. A cette fin, la première plaque d'extrémité 20 de la calandre 16 est réunie à une chambre amont 40 représentée sur la figure 1. L'air issu de la chambre amont 40 entre dans les trous 24 de la plaque 30 d'extrémité 20 et passe dans les tubes 18 jusque dans la chambre de combustion 12 via les trous 34 de la plaque d'extrémité 32. Du combustible entre dans la chambre de combustion 12 par le côté calandre 16 de l'IDP 14. La calandre 16 comporte une entrée 28 de combustible par laquelle du combustible est introduit par pompage dans 3054645 6 la calandre 16. La plaque d'extrémité 22 de la calandre 16 comporte aussi une pluralité de trous 29 pour combustible correspondant à une pluralité de trous 38 pour combustible présents dans la plaque d'extrémité 32 de la chambre de combustion 12. Le combustible passant 5 par les trous 29 pour combustible, puis par les trous 38 pour combustible est injecté dans la chambre de combustion 12 depuis les trous 34 pour air reliés aux tubes 18. Comme on peut le voir d'après la figure 2, pour chaque trou 34 pour air de la plaque d'extrémité 32 de la chambre de combustion 12, il y a de préférence au moins une paire de 10 trous 38 pour combustible de part et d'autre de celui-ci. Le côté calandre 16, l'entrée 26 de combustible, les trous 29 pour combustible de la plaque d'extrémité 22 et les trous 38 pour combustible à travers la plaque d'extrémité 32 ont des dimensions étudiées pour assurer partout des dimensions uniformes des trous pour une bonne alimentation en 15 combustible de la chambre de combustion 12. Les tubes 18 et la calandre 16 peuvent être assemblés par brasage ou soudage. Les trous 34 pour air et les trous 38 pour combustible peuvent être percés ou ménagés à travers la plaque d'extrémité 32 à l'aide de tout procédé classique. Dans la configuration représentée sur 20 les figures 1 et 2, les trous 38 pour combustible commencent avec une orientation rectiligne, puis deviennent obliques à leur sortie dans la plaque d'extrémité 32 pour injecter du combustible dans le courant d'air arrivant des trous 34 pour air. Sur la figure 2, les trous 38 pour combustible sont représentés à leur débouché dans la chambre de 25 combustion 12, mais ils pourraient être ménagés de manière à croiser les trous pour air présents dans la plaque d'extrémité 32, en permettant de ce fait un certain prémélange d'air et de combustible avant l'entrée dans la chambre de combustion 12. Il faut souligner que les trous 38 pour combustible et air pourraient également être ménagés soit dans 30 l'alignement des tubes arrivant à travers la plaque d'extrémité 32, soit de manière complètement oblique par rapport aux tubes arrivant à travers la plaque d'extrémité 32. Il faut en outre souligner que le nombre ou l'emplacement des trous 38 pour combustible disposés autour d'un trou 3054645 7 34 pour air pourrait être différent, en fonction d'une optimisation des performances du système de combustion 10. La figure 2A est une vue schématique en coupe illustrant deux procédés différents pour ménager des trous pour combustible et pour air 5 dans la plaque d'extrémité 32 de la chambre de combustion. Le premier procédé consiste à ménager des trous rectilignes 38A à travers la plaque d'extrémité 32, d'une manière semblable à ceux représentés sur la figure 2. Le second procédé consiste à ménager les trous 38B pour air et pour combustible d'une manière oblique pour donner une obliquité au flux 10 entrant dans la chambre de combustion. Une combinaison de différents tubes obliques autour de la chambre de combustion peut servir à faire tourbillonner le flux. Le côté calandre 16 de l'IDP 14 a des dimensions permettant d'y loger autant que tubes d'injection IDP 18 qu'on le souhaite. Le système 15 de combustion 10 pourrait contenir un seul grand IDP 14 à tubes et calandre de façon que la plaque d'extrémité 22 de l'IDP 14 soit le capot 32 de la chambre de combustion 12, ou le système de combustion 10 pourrait contenir un certain nombre d'IDP plus petits 14 à tubes et calandre, montés au voisinage immédiat les uns des autres suivant une 20 configuration autour du capot 32 de la chambre de combustion 12. Dans une autre forme possible de réalisation du système de combustion 10, le combustible pourrait être acheminé du côté tubes 18 et l'air pourrait être acheminé du côté calandre 16 afin que l'air soit injecté dans le combustible. De plus, le côté combustible ou le côté air 25 pourrait avoir un mélange d'air et de combustible prémélangés au lieu d'utiliser du combustible pur ou de l'air pur afin que l'air et le combustible se mélangent plus rapidement dans la chambre de combustion 12. Le côté combustible ou le côté air pourrait aussi contenir une certaine combinaison de diluants comme moyen pour 30 introduire des diluants dans la chambre de combustion 12. Une autre forme possible de réalisation du système de combustion 10 selon la présente invention pourrait utiliser de multiples ensembles de tubes et/ou des sections de calandre séparées (à cloisonnement interne) dans l'IDP 14 à tubes et calandre pour permettre 3054645 8 l'utilisation de multiples combinaisons différentes d'air/combustible/diluant à l'aide de multiples combinaisons différentes d'IDP. Sur la figure 3 est représenté un exemple de ce type de forme de réalisation dans lequel des plaques de plus en plus grandes, par exemple 5 les plaques 16A à 16G, emboîtées les unes dans les autres sont utilisées avec des groupes correspondants de tubes, par exemple 18A à 18B, aboutissant à des trous 29A à 29G dans la plaque d'extrémité 22. D'autres formes de réalisation du système de combustion 10 selon la présente invention pourraient utiliser des tubes aplatis 118 10 aboutissant à des trous 130 pour air, entourés d'un nombre plus élevé de trous 129 pour combustible, comme représenté sur la figure 4A, ou des barres/tôles fortes ou de la tôle à ailettes (minces feuilles de métal ridées) 218 ou 318 aboutissant à des trous 230 ou 330 pour air entourés de nombreux trous 229 ou 329) pour combustible, comme représenté sur 15 les figures 4B et 4C. Les barres/tôles fortes ou la tôle à ailettes pourraient être assemblés par brasage pour séparer les différents passages de combustible/air/diluant. Une autre forme de réalisation pourrait avoir des tubes de plus en plus grands emboîtés les uns dans les autres, les espaces entre les tubes contenant tour à tour de l'air, du 20 combustible, du diluant ou quelque combinaison de chacun d'eux. Encore une autre forme de réalisation pourrait utiliser des tubes de diverses dimensions/formes en n'importe quelle combinaison pour parvenir à des performances optimales. Les figures 5A à 5D illustrent encore une autre forme de 25 réalisation du système de combustion à IDP à tubes et calandre selon la présente invention. Le système de combustion 50 représenté sur les figures 5A à 5D comprend une chambre de combustion 52 et un ensemble d'injecteur direct 52 de mélange pauvre à tubes et calandre qui fournit du combustible et de l'air à la chambre de combustion 52. l'IDP 30 54 à tubes et calandre est constitué d'un ensemble de calandre 56 et d'un ensemble de tubes 58 disposé à l'intérieur de l'ensemble de calandre 56. L'ensemble de calandre 56 est constitué d'un grand cylindre 60 qui est creux en son centre et à l'intérieur duquel est inséré l'ensemble de tubes 58 (figure 5C), comme représenté sur la figure 5D, et de deux 3054645 9 brides 62 et 64 qui sont soudées à l'extérieur du cylindre 60 pour donner de la résistance mécanique au cylindre 60. L'ensemble de tubes 58 est constitué d'une première plaque d'extrémité 66, d'une seconde plaque d'extrémité 68 et d'un faisceau ou 5 d'une pluralité de tubes 70 s'étendant entre les plaques d'extrémités 66 et 68. La première plaque d'extrémité 66 comporte une pluralité de trous 72 percés ou autrement ménagés dans celle-ci pour recevoir de l'air ou du combustible issu d'une chambre amont 74. La seconde plaque d'extrémité 68 comporte une pluralité de trous 76 et 78 pour injecter de 10 l'air et du combustible dans la chambre de combustion 62. Les tubes 70 s'étendent entre les trous 72 et 76. La configuration des trous 72 et 76 est semblable à celles des trous 34 et 38 représentés sur la figure 2. A l'ensemble de calandre 56 sont fixées deux brides supplémentaires 76 et 78 (figures 5A et 5B) servant à fixer l'ensemble 15 56 à des brides correspondantes 80 et 82, respectivement sur la chambre amont 69 et la chambre de combustion 52. L'ensemble de calandre 56 comporte également une entrée 84 de combustible par laquelle du combustible est introduit par pompage dans l'ensemble de calandre 56. Le combustible introduit dans l'ensemble de calandre 56 est à son tour 20 injecté dans la chambre de combustion 52 par les trous 78 de la plaque d'extrémité 68. Le système de combustion à IDP à tubes et calandre selon la présente invention produit moins d'émissions de NOx que les injecteurs MNQC pour combustion silencieuse selon la technique antérieure. Des 25 essais ont démontré qu'avec le système de combustion les niveaux de NOx sont inférieurs de moitié à ceux obtenus dans des conditions similaires avec des injecteurs MNQC. Cela pourrait offrir un grand avantage en ce qui concerne les émissions et/ou permettre de réduire les besoins en diluants. Le système de combustion selon la présente 30 invention assure également une meilleure répartition du combustible et de l'air, donc une meilleure combustion. Il permet de réaliser des injecteurs de très petites dimensions ou de très grandes dimensions. Il peut remplacer la technologie MNQC actuelle ou les diffuseurs actuels dans la technologie DLN. Il peut aussi servir à la place d'injecteurs 3054645 10 MNQC selon la technique antérieure dans n'importe quel moteur à gaz de synthèse ou à la place de diffuseurs dans n'importe quelle chambre de combustion à DLN existante. REVENDICATIONS1. Système de combustion (10), comprenant : une chambre de combustion (12) servant à brûler un mélange d'air et de combustible, et un injecteur direct (14) de mélange pauvre servant à injecter du combustible et de l'air dans la chambre de combustion (12), l'injecteur comprenant : une calandre (16) comportant une entrée (28) pour introduire par pompage de l'air ou du combustible dans la calandre (16), la calandre (16) ayant une première extrémité (22) reliée à la chambre de combustion (12), et une pluralité de tubes (18) disposés à l'intérieur de la calandre (16) ; la chambre de combustion (12) comportant une plaque d'extrémité (32) pourvue d'une première pluralité de trous (34) pour injecter dans la chambre de combustion (12) de l'air issu de la calandre (16) ou des tubes (18), et d'une seconde pluralité de trous (38) pour injecter dans la chambre de combustion (12) du combustible issu de la calandre (16) ou des tubes (18). 2. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la calandre (16) achemine du combustible jusqu'à la chambre de combustion (12) et la pluralité de tubes (18) acheminent de l'air jusqu'à la chambre de combustion (12). 3. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la calandre (16) achemine de l'air jusqu'à la chambre de combustion (12) et la pluralité de tubes (18), acheminent du combustible jusqu'à la chambre de combustion (12). 4. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la calandre (16) et la pluralité de tubes (16) acheminent respectivement, jusqu'à la chambre de combustion (12), de l'air et du combustible, du combustible et de l'air ou une combinaison d'air et de combustible et/ou d'un diluant. 3054645 12 5. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la calandre (16) comporte une première plaque d'extrémité (20) pourvu d'une troisième pluralité de trous (24) ménagés dans la première plaque d'extrémité (20) pour recevoir de l'air ou du combustible d'une chambre 5 (40) reliée à la première plaque d'extrémité (20), et une seconde plaque d'extrémité (22) reliée à la chambre de combustion (12) et comportant une quatrième pluralité de trous (30) ménagés dans la seconde plaque d'extrémité (32) pour acheminer de l'air ou du combustible jusqu'à la chambre de combustion (12), la pluralité de tubes (18) s'étendant entre 10 les troisième et quatrième pluralités de trous (24, 30) ménagés dans les première et seconde plaques d'extrémités (20, 22). 6. Système de combustion selon la revendication 5, dans lequel la seconde plaque d'extrémité (22) de la calandre (16) comporte une cinquième pluralité de trous (29) ménagés dans la seconde plaque 15 d'extrémité pour acheminer de l'air ou du combustible jusqu'à la chambre de combustion. 7. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la seconde pluralité de trous (38) sont ménagés dans l'alignement des tubes (18) à travers la plaque d'extrémité (32) de la chambre de 20 combustion. 8. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel les première et seconde pluralités de trous (34, 38) sont ménagés d'une manière oblique par rapport aux tubes (18) à travers la plaque d'extrémité (32) de la chambre de combustion. 25 9. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la seconde pluralité de trous (38) sont ménagés d'une manière oblique à l'intérieur de la plaque d'extrémité (32) de la chambre de combustion de manière à croiser la première pluralité de trous (34) afin que le combustible acheminé par la seconde pluralité de trous (38) se mélange 30 à l'air acheminé par la première pluralité de trous (34). 10. Système de combustion selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de tubes (18) sont fixés par brasage ou soudage à la calandre (16), et dans lequel la plaque d'extrémité (22) de la calandre est un capot pour la chambre de combustion.