Brevet FR3055403A1 — publié le 20180302

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 la chambre de combustion permettant de chauffer les gaz comprimés par le compresseur pour les envoyer avec une température élevée à la chambre de combustion, ce dispositif d'échange étant parcouru par les gaz chauds provenant de la turbine. Tel que cela est décrit dans la demande de brevet français N° 15/59314 du demandeur, la chambre de combustion comprend un boîtier au travers duquel circule l'air comprimé chaud provenant du récupérateur et 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 diffuseur. Comme mieux décrit dans la demande précitée, le tube à flamme porte un stabilisateur de flamme comprenant le diffuseur perforé, au moins un passage de recirculation de gaz de combustion et un tube de mélange. 3055403 2 Cette chambre de combustion, bien que donnant satisfaction présente néanmoins des inconvénients non négligeables. 5 En effet, l'air comprimé est distribué dans cette chambre de combustion en deux flux. Le premier flux d'air est dirigé vers la zone primaire où a lieu la combustion alors que le deuxième flux va entrer directement dans la zone de dilution via les trous de dilution pour obtenir, en sortie de la chambre de combustion, un mélange homogène en température et composition. 10 De ce fait, l'asymétrie de l'entrée d'air comprimé dans la chambre de combustion par rapport au tube à flamme conduit à une asymétrie importante de l'écoulement d'air et de gaz brûlés. Ceci peut conduire à un léchage de la paroi par des gaz chauds issus de la combustion du carburant dans la zone primaire. Ces gaz pouvant avoir des températures très élevées (plus de 1500°C) peuvent 15 endommager la paroi du tube à flamme. Ceci entraîne une forte limitation de la durée de vie du tube à flamme, sauf à le réaliser dans des matériaux très onéreux. De plus, si la flamme n'est pas correctement située dans le tube à flamme, l'efficacité de la zone de dilution est amoindrie et peut conduire à des 20 hétérogénéités de température importantes en sortie de la chambre de combustion, ce qui pourrait réduire la durée de vie de la turbine. En outre, il peut se produire des combustions incomplètes avec des risques d'extinction et de production de polluants. 25 La présente invention se propose de remédier aux inconvénients précités avec une chambre de combustion présentant une amélioration de la localisation des zones chaudes en permettant une meilleure durabilité des pièces ainsi qu'une meilleure homogénéité de la température en sortie de la chambre de combustion et une conception à moindre coût. 30 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 avec un moyen d'injection d'au moins un combustible et une 3055403 3 admission d'air comprimé chaud, ledit boîtier logeant un tube à flamme avec un diffuseur perforé pour le passage de l'air comprimé chaud et du carburant, et un stabilisateur de flamme, caractérisée en ce que la chambre comprend un déflecteur d'air disposé en regard de l'admission d'air chaud comprimé pour faire 5 circuler cet air chaud dans un seul sens axial à partir de cette admission d'air chaud. Le déflecteur d'air peut comprendre un tube placé entre le boîtier et le tube à flamme. 10 Le tube peut comporter une portion tubulaire de fixation et une portion tubulaire de dérivation de l'air, de section différente, reliées entre elles par une portion de jonction. 15 La portion tubulaire de fixation peut comporter un diamètre sensiblement égal au diamètre du boîtier et la portion tubulaire de dérivation peut avoir un diamètre qui est plus grand que le diamètre du tube à flamme et plus petit que celui du diamètre du boîtier. 20 La portion tubulaire de dérivation peut avoir un diamètre qui est sensiblement la moyenne des diamètres du boîtier et du tube à flamme. La chambre de combustion peut comprendre un passage circulation d'air entre la portion de dérivation et le boîtier et un autre passage de circulation d'air 25 entre ladite portion de dérivation et le tube à flamme, les deux passages étant reliés par un passage de liaison. La hauteur radiale des passages de circulation peut être identique. 30 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle est annexée la figure unique qui est un schéma illustrant une chambre de combustion selon l'invention pour une turbine pour la production d'énergie, notamment d'énergie électrique. 3055403 4 La chambre de combustion 10 illustrée sur la figure comprend un boîtier 12 de forme cylindrique avec une paroi tubulaire 14 de section sensiblement circulaire. Ce boîtier est fermé à l'une de ses extrémités par une cloison porte- 5 injecteur 16 et à l'autre de ses extrémités par une cloison annulaire 18 avec une ouverture 20 sensiblement circulaire. Cette chambre de combustion comprend également un tube à flamme 22, également de forme sensiblement cylindrique, logé coaxialement dans le boîtier en étant de diamètre inférieur au boîtier mais de diamètre identique à celui de 10 l'ouverture 20 de la cloison annulaire. Ce tube comprend une paroi 24 de section sensiblement circulaire, une extrémité fermée par une cloison de diffusion 26 en regard et à distance de la cloison porte-injecteur 16, et une extrémité ouverte 28 qui traverse la cloison annulaire en coopérant à étanchéité avec le diamètre intérieur de cette cloison annulaire pour former la sortie 30 de cette chambre de 15 combustion. Le boîtier porte sur sa paroi périphérique 14, sensiblement à égale distance entre la cloison porte-injecteur et la cloison annulaire, une admission d'air comprimé chaud 32. 20 Comme mieux visible sur la figure, un déflecteur d'air 34 est placé entre les deux parois 14 et 24 et en regard de cette admission d'air pour faire circuler cet air chaud dans un seul sens axial à partir de cette admission. 25 Plus particulièrement, ce déflecteur comporte un tube 36 ouvert à chacune de ses extrémités 38, 40. Ce tube comporte une portion tubulaire de fixation 42 et une portion tubulaire de dérivation de l'air 44, de section différente, reliées entre elles par une portion de jonction 46, ici de forme tronconique. 30 La section de la portion tubulaire de plus grande section 42, qui correspond à la portion tubulaire de fixation, a un diamètre extérieur sensiblement égal à celui du diamètre intérieur du boîtier 12 alors que la section de la portion tubulaire de plus petite section 44, qui correspond à la portion tubulaire de dérivation de l'air, a un diamètre extérieur qui est plus grand que le diamètre extérieur de la paroi 24 3055403 5 du tube à flamme 22 et plus petit que celui du diamètre intérieur de la paroi 14 du boîtier 12. Ce déflecteur est logé dans le chambre de combustion d'une manière telle 5 que la portion tubulaire de fixation 42 soit logée entre la cloison porte-injecteur 16 et la cloison de diffusion 26 en étant fixée par tous moyens connus (brasage, soudage,..) à la paroi du boîtier, que la portion tubulaire de dérivation de l'air 44 se trouve sensiblement en regard de l'admission d'air 32 et que la portion tronconique 46 soit placée à proximité de cette admission. 10 Avantageusement, le diamètre de la portion tubulaire de dérivation de l'air est tel qu'il équivaut à la moyenne des diamètres du boîtier 12 et du tube à flamme 22. Ceci permet de créer des passages de circulation de l'air comprimé de même hauteur radiale R entre cette portion et respectivement le boîtier (passage 48) et le 15 tube à flamme (passage 50). De même, l'extrémité ouverte 40 de la portion tubulaire de dérivation de l'air 44 est située à distance de la cloison annulaire 18 de manière à ce que la distance entre cette extrémité ouverte et la cloison créée un passage de liaison 51 dont la dimension axiale D est au moins égale à la hauteur radiale R. 20 Ainsi, lors de l'admission de l'air chaud comprimé, ce dernier circule dans des passages sans variation dimensionnelle importante. Sur la figure, la cloison porte-injecteur porte un moyen d'injection d'au moins un combustible 52, ici sous la forme d'un injecteur coaxial au tube à flamme, en 25 regard d'un stabilisateur de flamme 54 qui est placé sur la cloison de diffusion 26. Ce stabilisateur comprend un diffuseur perforé 56 logée dans la cloison de diffusion 26 et comportant une multiplicité de trous axiaux 58 régulièrement réparties circonférentiellement sur la semelle et un orifice axial central 60. Cette 30 semelle se poursuit dans une direction axiale et à l'opposé de la cloison par des bras axiaux 62, ici trois bras disposés à 120° lesuns des autres, et portant à leurs extrémités un tube mélangeur 64 d'étendue axiale limitée et de diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du tube à flamme 22. 3055403 6 Le tube à flamme comprend également des rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux 66 placés à distance de la cloison de diffusion et à proximité de la cloison annulaire du boîtier en étant reparties régulièrement avantageusement de part et d'autre de la région d'extrémité libre de la portion 44. 5 La chambre de combustion ainsi constituée comprend une zone d'injection/mélange ZM où se réalise le mélange de l'air comprimé chaud avec le combustible et le début de la combustion, une zone primaire ZP dans laquelle se produit la combustion, et un zone de dilution ZD où a lieu le mélange entre les gaz 10 brûlés issus de la zone primaire et l'air comprimé chaud provenant des trous de dilution. En fonctionnement, le combustible, ici sous forme liquide, est injecté par l'injecteur 52 en direction de la cloison de diffusion 26 pour traverser l'orifice 15 central 60. L'air comprimé chaud provenant de l'admission 32 est dévié par le déflecteur 34 selon la flèche F1 en premier lieu par la portion tronconique 46 pour aboutir dans le passage 48. Cet air circule dans un sens axial à partir de l'admission 32 et tout au long de ce passage 48 selon un seul sens de circulation, ici de la gauche vers la droite en considérant la flèche F2 pour arriver au passage 20 d'extrémité 51. Arrivé à ce passage, l'air a un sens de circulation radiale selon la flèche F3 puis circule dans le passage 50, dans un sens axial opposé à celui du passage 48 selon la flèche F4. Une partie de l'air circulant dans le passage 50 pénètre alors dans le tube à flamme au travers des orifices de dilution (flèche F5) et l'autre partie cet air arrive dans la zone de mélange ZM (flèche F6). Cet air 25 traverse ensuite les trous 58 de la cloison de diffusion 26 et est dirigé dans le tube mélangeur 64 dans lequel a lieu l'évaporation du combustible liquide, puis la combustion. Grâce au déflecteur, l'écoulement de l'air issu de l'admission est dirigé vers 30 le côté opposé à la zone de mélange avant de revenir vers cette zone de mélange en entourant la portion tubulaire de dérivation de l'air 44. Ce faisant : - les vitesses d'arrivée de l'air dans l'espace situé dans la portion tubulaire de dérivation de l'air 44 sont faibles et plus symétriques (symétrie de 3055403 7 révolution) par rapport à l'axe central de la portion tubulaire de dérivation de l'air, ce qui permet une amélioration de l'efficacité de la dilution. En effet, dans chacune des différentes rangées de trous de dilution 66, les vitesses d'entrée de l'air dans la zone de dilution sont proches pour tous 5 les trous ; - la portion tubulaire de dérivation de l'air 44, qui est la pièce la plus chaude, est mieux isolée de l'extérieur par le double flux d'air ; - les vitesses d'arrivée dans la zone située entre cloison de diffusion 26 et le boîtier 12 sont très faibles de par la grande section de la zone de 10 mélange ZM et le débit relativement faible (une partie du débit total part dans la zone de diffusion ZD). Cette zone se comporte comme un collecteur permettant d'avoir des vitesses d'entrée dans la zone principale ZP via la cloison de diffusion qui sont normales à la cloison et qui sont identiques pour chaque rangée concentrique de trous. En cela, la flamme 15 générée ensuite dans la zone primaire ZP se situe bien autour de l'axe de la portion tubulaire de dérivation de l'air. REVENDICATIONS1) Chambre de combustion (10) 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 (12) avec un moyen d'injection (52) d'au moins un combustible et une admission (32) d'air comprimé chaud, ledit boîtier logeant un tube à flamme (22) avec un diffuseur perforé (26) pour le passage de l'air comprimé chaud et du carburant, et un stabilisateur de flamme (54), caractérisée en ce que la chambre comprend un déflecteur d'air (34) disposé en regard de l'admission d'air chaud comprimé (32) pour faire circuler cet air chaud dans un seul sens axial à partir de cette admission. 2) Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déflecteur d'air (34) comprend un tube (36) placé entre le boîtier (12) et le tube à flamme (22). 3) Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que le tube (36) comporte une portion tubulaire de fixation (42) et une portion tubulaire de dérivation de l'air (44), de section différente, reliées entre elles par une portion de jonction (46). 4) Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion tubulaire de fixation (42) comporte un diamètre sensiblement égal au diamètre du boîtier (12) et en ce que la portion tubulaire de dérivation (44) a un diamètre qui est plus grand que le diamètre du tube à flamme (22) et plus petit que celui du diamètre du boîtier (12). 5) Chambre de combustion selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la portion tubulaire de dérivation (44) a un diamètre qui est sensiblement la moyenne des diamètres du boîtier (12) et du tube à flamme (22). 6) Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un passage circulation d'air (48) entre la portion de dérivation (44) et le boîtier (12) et un autre passage de circulation d'air 3055403 9 (50) entre ladite portion de dérivation et le tube à flamme, les deux passages étant relié par un passage de liaison (51). 7) Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que la hauteur radiale des passages de circulation (48, 50) est identique. 8) Turbine, notamment d'une turbine à cycle thermodynamique avec récupérateur, pour la production d'énergie, en particulier d'énergie électrique, 10 comprenant au moins un étage de compression avec au moins un compresseur de gaz, un échangeur de chaleur, une chambre de combustion, et au moins un étage de détente avec au moins une turbine de détente reliée par un arbre au compresseur, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de combustion (10) selon l'une des revendications précédentes. 15