Brevet FR3084450A1 — publié le 20200131

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. 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° 3041742 et 20 3049044 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 25 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. 30 Comme mieux décrit dans les demandes précitées, 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. 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 via les trous de dilution. 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 endommager 15 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 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. Afin de répondre à ces inconvénients, la demande de brevet français N°: 3055403 du demandeur concerne une chambre de ccmbustion 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 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 et la chambre comprend un déflecteur d'air disposé en regard de l'admission d'air chaud 3 comprimé pour faire circuler cet air chaud dans un seul sens axial à partir de cette admission d'air chaud. Cette configuration permet ainsi d'avoir une chambre de combustion présentant une amélioration de la localisation des zones chaudes en permettant une meilleure 5 durabilité des pièces ainsi qu'une meilleure homogénéité de la température en sortie de la chambre de combustion et une conception à moindre coût. Cependant, il subsiste des inconvénients notamment liés à un écoulement à contre-courant dans le tube à flamme qui génère des instabilités de type battement avec le flux de gaz brûlés. Ces instabilités peuvent avoir, suivant les conditions, les 10 conséquences suivantes : - un léchage de gaz brûlés à très haute température contre les parois qui peut être destructif ; - une déstabilisation de la combustion en zone primaire, en particulier lorsque la flamme est stabilisée en aval de l'accroche flamme. 15 La figure 2a représente de façon schématique la répartition des flux dans un tube à flamme de l'art antérieur tel que décrit précédemment et on a ainsi : Les gaz brûlés (Gb) issus de la combustion en zone primaire ; L'air (A) entrant directement dans la chambre via les trous de dilution ; 20 - Le mélange (MG) de gaz dirigé vers la sortie ; L'écoulement (E) à contre-courant généré par la dilution ; Les recirculations (R) de gaz brûlés autour de l'accroche flamme. La figure 2b qui est une simulation de l'écoulement de la figure 2a, permet de 25 remarquer que l'écoulement à contre-courant généré par la dilution induit une instabilité du positionnement et un phénomène de battement au niveau des trous de dilution représentés par la référence 166. Ceci est également dû au fait que les recirculations autour de l'accroche flamme convectent une proportion non négligeable de gaz frais issus de la zone de dilution. 30 L'objectif de la présente invention est d'améliorer les deux points précédents et notamment vise l'amélioration de la stabilité de la combustion et la disparition du 4 phénomène de battement. L'invention vise également à avoir une recirculation par des gaz brûlés plus importante afin de permettre des combustions plus diluées et une baisse supplémentaire des émissions de NOx. 5 Pour ce faire un premier aspect de l'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 admission d'air comprimé chaud, ledit boîtier logeant un tube à flamme avec un 10 diffuseur perforé pour le passage de l'air comprimé chaud et du carburant et un stabilisateur de flamme et l'invention se caractérise en ce que le tube à flamme comprend une zone de rétrécissement de la section dudit tube à flamme. Selon une caractéristique de l'invention, le tube à flamme comprend une zone 15 primaire et une zone de dilution et ladite zone de rétrécissement est positionnée entre la zone primaire et la zone de dilution. Selon une caractéristique de l'invention, le tube à flamme comporte des rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux positionnées au début de la 20 zone de dilution et ladite zone de rétrécissement est positionnée en amont (selon la direction générale des gaz brûlés) desdites rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux. Selon une caractéristique de l'invention, la zone de rétrécissement de la section 25 dudit tube à flamme est formée par un obstacle de symétrie de révolution. Selon une caractéristique de l'invention, l'obstacle de symétrie de révolution comprend un anneau positionné dans le tube à flamme. 30 Selon une caractéristique de l'invention, la zone de rétrécissement comporte un changement de diamètre du tube à flamme en amont de la zone de dilution. 5 Selon une caractéristique de l'invention, la chambre de combustion comprend un déflecteur d'air disposé en regard de l'admission d'air chaud comprimé. Un deuxième aspect de l'invention concerne une turbine, notamment d'une 5 turbine à 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, et au moins un étage de détente avec au moins une turbine de détente reliée par un arbre au compresseur, et l'invention se caractérise en ce qu'elle 10 comprend une chambre de combustion telle que décrite ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après dans lesquelles : 15 - la figure 1 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 2a, déjà décrite, est une vue en coupe axiale montrant la répartition des flux dans une chambre de combustion de l'état de l'art ; 20 La figure 2b, déjà décrite, est une vue en coupe axiale montrant les battements d'une flamme dans une chambre de combustion de l'état de l'art ; La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une chambre de combustion dans un premier mode de réalisation selon l'invention ; La figure 4 est un une vue en coupe axiale d'une chambre de combustion dans 25 un deuxième mode de réalisation selon l'invention ; La figure 5 est un une vue en coupe axiale montrant la flamme dans le premier mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention 30 D'une manière générale et comme visible à la figure 1, une turbine 10 comprend au moins un étage de compression 12 avec au moins un compresseur de 6 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 également un moyen de production 5 d'énergie, ici électrique, qui comprend une génératrice électrique 28 placée avantageusement sur l'arbre 26 entre le compresseur et la turbine. 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 10 compresseur. De manière préférentielle, l'échangeur de chaleur 16 peut être un échangeur à flux croisés, par exemple de type tubes-calandre ou à plaques alternées avec deux entrées et deux sorties. 15 Le compresseur 14 comprend une entrée 30 de gaz frais contenant de 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 par une ligne 36. La sortie d'air comprimé chaud 38 de cet échangeur est reliée par une ligne 40 à une admission d'air comprimé chaud 42 du brûleur 18. La sortie de gaz 20 surchauffés 44 du brûleur est connectée par une ligne 45 à l'entrée 46 de la turbine dont la sortie 48 est reliée à une autre entrée 50 de l'échangeur par une ligne de gaz surchauffés détendus 52. L'échangeur 16 comprend également une sortie de gaz refroidis 54 pour être dirigés vers tous moyens d'évacuation et de traitement, comme une cheminée (non représentée). 25 Dans un premier mode de réalisation de la chambre de combustion 18 illustrée sur la figure 3, de manière non limitative, celle-ci comprend un boîtier 112 de forme cylindrique avec une paroi tubulaire 114 de section sensiblement circulaire. Ce boîtier est fermé à l'une de ses extrémités par une cloison porte-injecteur 116 et à 30 l'autre de ses extrémités par une cloison annulaire 118 avec une ouverture 120 sensiblement circulaire. 7 Cette chambre de combustion comprend également un tube à flamme 122, également de forme sensiblement cylindrique, logé coaxialement dans le boîtier en étant de diamètre inférieur au boîtier mais de diamètre identique à celui de l'ouverture 120 de la cloison annulaire. Ce tube comprend une paroi 124 de section 5 sensiblement circulaire, une extrémité fermée par une cloison de diffusion 126 en regard et à distance de la cloison porte-injecteur 116, et une extrémité ouverte 128 qui traverse la cloison annulaire en coopérant à étanchéité avec le diamètre intérieur de cette cloison annulaire pour former la sortie 130 de cette chambre de combustion. 10 Le boîtier porte sur sa paroi périphérique 114, sensiblement à égale distance entre la cloison porte-injecteur et la cloison annulaire, une admission d'air comprimé chaud 132. Un déflecteur d'air 134 est placé entre les deux parois 114 et 124 et en regard 15 de cette admission d'air pour faire circuler cet air chaud dans un seul sens axial à partir de cette admission. Plus particulièrement, ce déflecteur comporte un tube 136 ouvert à chacune de ses extrémités 138, 140. Ce tube comporte une portion tubulaire de fixation 142 et 20 une portion tubulaire de dérivation de l'air 144, de section différente, reliées entre elles par une portion de jonction 146, ici de forme tronconique. La section de la portion tubulaire de plus grande section 142, qui correspond à la portion tubulaire de fixation, a un diamètre extérieur sensiblement égal à celui du 25 diamètre intérieur du boîtier 112 alors que la section de la portion tubulaire de plus petite section 144, 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 124 du tube à flamme 122 et plus petit que celui du diamètre intérieur de la paroi 114 du boîtier 112. 30 Ce déflecteur est logé dans la chambre de combustion d'une manière telle que la portion tubulaire de fixation 142 soit logée entre la cloison porte-injecteur 116 et la 8 cloison de diffusion 126 en étant fixée par tous moyens connus (brasage, soudage,..) à la paroi du boîtier, que la portion tubulaire de dérivation de l'air 144 se trouve sensiblement en regard de l'admission d'air 132 et que la portion tronconique 146 soit placée à proximité de cette admission. 5 Avantageusement, le diamètre de la portion tubulaire de dérivation de l'air est tel qu'il équivaut à la moyenne des diamètres du boîtier 112 et du tube à flamme 122. 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 148) et le 10 tube à flamme (passage 150). De même, l'extrémité ouverte 140 de la portion tubulaire de dérivation de l'air 144 est située à distance de la cloison annulaire 118 de manière à ce que la distance entre cette extrémité ouverte et la cloison créée un passage de liaison 151 dont la dimension axiale D est au moins égale à la hauteur radiale R. 15 Ainsi, lors de l'admission de l'air chaud comprimé, ce dernier circule dans des passages sans variation dimensionnelle importante. Sur la figure 3, la cloison porte-injecteur porte un moyen d'injection d'au moins un combustible 152, ici sous la forme d'un injecteur coaxial au tube à flamme, en 20 regard d'un stabilisateur de flamme 154 qui est placé sur la cloison de diffusion 126. Ce stabilisateur comprend un diffuseur perforé 156 logé dans la cloison de diffusion 126 et comportant une multiplicité de trous axiaux 158 régulièrement réparties circonférentiellement sur la semelle et un orifice axial central 160. Cette 25 semelle se poursuit dans une direction axiale et à l'opposé de la cloison par des bras axiaux 162, ici trois bras disposés à 120° les uns des autres, et portant à leurs extrémités un tube mélangeur 164 d'étendue axiale limitée et de diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du tube à flamme 122. 30 Le tube à flamme 122 comprend également des rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux 166 placés à distance de la cloison de diffusion et à 9 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 144. Selon l'invention, le tube à flamme 122 comprend une zone de rétrécissement 5 de la section dudit tube à flamme. La zone de rétrécissement est formée par un obstacle de symétrie de révolution. Cette obstacle peut être notamment un anneau 200 inséré dans le tube à flamme et de symétrie de révolution. Cet anneau 200 a un diamètre inférieur au diamètre du tube à flamme 122, de manière à pouvoir être inséré dans le tube à flamme 122. On entend par diamètre, le 10 diamètre le plus grand de l'anneau, c'est-à-dire le diamètre externe pris en périphérie de celui-ci. L'épaisseur de l'anneau 200 est, de préférence, compris entre quelques millimètres et quelques centimètres. La chambre de combustion ainsi constituée comprend une zone 15 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 brûlés issus de la zone primaire et l'air comprimé chaud provenant des trous de dilution. 20 La zone de rétrécissement (l'anneau 200) est positionnée entre la zone primaire et la zone de dilution. Cet anneau est positionné par rapport aux trous de dilution 166 de telle manière à bloquer les flux à contrecourant dans la zone primaire, c'est-à-dire à gauche des trous de dilution 166 de la figure 3 (en amont des trous de dilution, selon la direction générale d'écoulement des gaz brûlés). 25 Dans un second mode de réalisation du tube à flamme visible sur la figure 4, schématiquement et de manière non limitative, il n'y a pas d'anneau mais le tube à flamme a une géométrie particulière qui consiste à avoir une zone de rétrécissement 201 ou s'opère un changement brutal de diamètre du tube à flamme. Cette zone de 30 rétrécissement 201 est positionnée en amont de la zone de dilution et avant les trous de dilution de manière à bloquer les flux à contrecourant dans la zone primaire, c'est-à-dire à gauche des trous de dilution 166 de la figure 4. En d'autres termes, pour ce 10 mode de réalisation, la zone primaire ZP comporte un diamètre externe qui est strictement supérieur au diamètre externe de la zone de dilution ZD. En fonctionnement, le combustible, ici sous forme liquide, est injecté par 5 l'injecteur 152 en direction de la cloison de diffusion 126 pour traverser l'orifice central 160. L'air comprimé chaud provenant de l'admission 132 est dévié par le déflecteur 134 selon la flèche F1 en premier lieu par la portion tronconique 146 pour aboutir dans le passage 148. Cet air circule dans un sens axial à partir de l'admission 132 et tout au long de ce passage 148 selon un seul sens de circulation, ici de la 10 gauche vers la droite en considérant la flèche F2 pour arriver au passage d'extrémité 151. Arrivé à ce passage, l'air a un sens de circulation radiale selon la flèche F3 puis circule dans le passage 150, dans un sens axial opposé à celui du passage 148 selon la flèche F4. Une partie de l'air circulant dans le passage 150 pénètre alors dans le tube à flamme au travers des orifices de dilution (flèche F5) et l'autre partie 15 cet air arrive dans la zone de mélange ZM (flèche F6). Cet air traverse ensuite les trous 158 de la cloison de diffusion 126 et est dirigé dans le tube mélangeur 164 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 le 20 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 144. Ce faisant : les vitesses d'arrivée de l'air dans l'espace situé dans la portion tubulaire de dérivation de l'air 144 sont faibles et plus symétriques (symétrie de 25 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 166, les vitesses d'entrée de l'air dans la zone de dilution sont proches pour tous les trous ; la portion tubulaire de dérivation de l'air 144, qui est la pièce la plus chaude, 30 est mieux isolée de l'extérieur par le double flux d'air ; les vitesses d'arrivée dans la zone située entre cloison de diffusion 126 et le boîtier 112 sont très faibles de par la grande section de la zone de mélange 11 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 5 rangée concentrique de trous. En cela, la flamme générée ensuite dans la zone primaire ZP se situe bien autour de l'axe de la portion tubulaire de dérivation de l'air. Dans un deuxième mode de réalisation de la chambre de combustion 18, non 10 représenté, il n'y a pas de déflecteur d'air 134 disposé en regard de l'admission d'air chaud comprimé 132. Le tube à flamme 122 comporte néanmoins un rétrécissement (200, 201) tel que décrit précédemment. Grâce à la modification selon l'invention, les recirculations n'entrainent pas de 15 gaz frais issus de la zone de dilution dans les recirculations en zone primaire. En cela, on ne recircule que des gaz brûlés et le taux de recirculation (proportion de gaz brûlés sur les gaz frais) en zone primaire augmente. Ceci permettra d'atteindre des régimes de combustion plus dilués, intéressants en termes d'émissions polluantes (notamment NOx et HC). 20 Comme visible sur la figure 5 qui est une simulation d'un écoulement dans le cadre du premier mode de réalisation de la chambre de combustion 18, l'écoulement à contre-courant généré par la dilution au niveau des trous de dilution 166 et obtenu sur la configuration de l'état de l'art de la figure 2b, n'est plus présent. Cela se traduit 25 par un positionnement de la flamme beaucoup plus stable et une très forte atténuation, voire une disparition du phénomène de battement. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules forme de réalisation du dispositif décrit ci-dessus à titre d'exemple, 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 (112) avec un moyen d'injection (152) d'au moins un combustible et une admission (132) d'air comprimé chaud, ledit boîtier logeant un tube à flamme (122) avec un diffuseur perforé (126) pour le passage de l'air comprimé chaud et du carburant et un stabilisateur de flamme (154) caractérisée en ce que le tube à flamme (122) comprend une zone de rétrécissement (200, 201) de la section dudit tube à flamme (122). 2) Chambre de combustion (18) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube à flamme (122) comprend une zone primaire (ZP) et une zone de dilution (ZD) et ladite zone de rétrécissement (200, 201) est positionnée entre la zone primaire (ZP) et la zone de dilution (ZD). 3) Chambre de combustion (18) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le tube à flamme (122) comporte des rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux (166) positionnées au début de la zone de dilution (ZD) et ladite zone de rétrécissement (200, 201) est positionnée en amont desdites rangées circonférentielles d'orifices de dilution radiaux (166). 4) Chambre de combustion (18) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de rétrécissement (200) de la section dudit tube à flamme (122) comporte un obstacle de symétrie de révolution. 5) Chambre de combustion (18) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'obstacle de symétrie de révolution comporte un anneau positionné dans le tube à flamme (122). 13 6) Chambre de combustion (18) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la zone de rétrécissement (201) comporte un changement de diamètre du tube à flamme en amont de la zone de dilution (ZD). 5 7) Chambre de combustion (18) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend un déflecteur d'air (134) disposé en regard de l'admission d'air chaud comprimé (132). 8) Turbine, notamment d'une turbine à cycle thermodynamique avec 10 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, 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 (18) selon l'une 15 des revendications précédentes.