FR2982009A1

FR2982009A1 - Paroi annulaire de chambre de combustion a refroidissement ameliore au niveau des trous primaires et/ou de dilution

Info

Publication number: FR2982009A1
Application number: FR1159705A
Authority: FR
Inventors: Denis Jean Maurice Sandelis; Didier Hippolyte Hernandez
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-03
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: FR2982009B1; CN203147823U

Abstract

Paroi annulaire de chambre de combustion (10) de turbomachine, comportant un côté froid (16a, 18a) et un côté chaud (16b, 18b), une pluralité de trous de dilution (30) répartis selon une rangée circonférentielle pour permettre à de l'air circulant du côté froid (16a, 18a) de la paroi annulaire de pénétrer du côté chaud (16b, 18b) afin d'assurer la dilution d'un mélange air/carburant ; et une pluralité d'orifices de refroidissement (32) pour permettre à l'air circulant du côté froid (16a, 18a) de la paroi annulaire de pénétrer du côté chaud (16b, 18b) afin de former un film d'air de refroidissement le long de la paroi annulaire, les orifices de refroidissement étant répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres et les axes géométriques de chacun des orifices de refroidissement étant inclinés, dans une direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion, d'un angle d'inclinaison theta1 par rapport à une normale N à la paroi annulaire ; les trous de dilution présentant chacun une section rectangulaire d'une même longueur axiale L et d'une largeur Li selon une direction transverse à ladite direction axiale D.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion de turbomachine. Elle vise plus particulièrement une paroi annulaire pour chambre de combustion refroidie par un procédé dit de «multiperforation». Typiquement, une chambre de combustion annulaire de turbomachine est formée d'une paroi annulaire interne (dite aussi virole interne) et d'une paroi annulaire externe (dite aussi virole externe) qui sont reliées en amont par une paroi transversale formant fond de chambre. Les viroles interne et externe sont chacune pourvues d'une pluralité de trous et d'orifices divers permettant à de l'air circulant autour de la chambre de combustion de pénétrer à l'intérieur de celle-ci. Ainsi, des trous dits « primaires » et « de dilution » sont formés dans ces viroles pour acheminer de l'air à l'intérieur de la chambre de combustion. L'air empruntant les trous primaires contribue à créer un mélange air/carburant qui est brûlé dans la chambre, tandis que l'air provenant des trous de dilution est destiné à favoriser la dilution de ce même mélange air/carburant. Les viroles interne et externe sont soumises aux températures élevées des gaz provenant de la combustion du mélange air/carburant. Afin d'assurer leur refroidissement, des orifices supplémentaires dits de multiperforation sont également percés au travers de ces viroles sur toute leur surface. Ces orifices de multiperforation, inclinés en général à 60°, permettent à l'air circulant à l'extérieur de la chambre de pénétrer à l'intérieur de celle-ci en formant le long des viroles des films d'air de refroidissement.

Toutefois, en pratique, il a été constaté que la zone des viroles interne et externe qui est située directement en aval de chacun des trous primaires ou de dilution, du fait notamment de l'absence d'orifices résultant de la technologie de perçage laser utilisée, bénéficie d'un faible niveau de refroidissement avec le risque de formation de criques que cela implique.

Afin de résoudre ce problème, le document US 6,145,319 propose de pratiquer des trous de transition dans la zone des parois située directement en aval de chacun des trous primaires et de dilution, ces trous de transition ayant une inclinaison plus importante que celle des orifices de multiperforation. Etant donné qu'il s'agit d'un traitement localisé, cette solution s'avère malheureusement particulièrement onéreuse et elle augmente notablement la durée de fabrication des parois. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but de pallier de tels inconvénients en proposant une paroi annulaire de chambre de combustion qui assure un refroidissement adéquat des zones situées directement en aval des trous primaires et de dilution. A cet effet, il est prévu une paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine, comportant un côté froid et un côté chaud, ladite paroi annulaire comportant : . une pluralité de trous de dilution répartis selon une rangée circonférentielle pour permettre à de l'air circulant du côté froid de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud afin d'assurer la dilution d'un mélange air/carburant ; et . une pluralité d'orifices de refroidissement pour permettre à l'air circulant du côté froid de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud afin de former un film d'air de refroidissement le long de ladite paroi annulaire, lesdits orifices de refroidissement étant répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres et les axes géométriques de chacun desdits orifices de refroidissement étant inclinés, dans une direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion, d'un angle d'inclinaison 01 par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire ; caractérisée en ce que lesdits trous de dilution présentent chacun une section rectangulaire d'une même longueur axiale L et d'une largeur Li selon une direction transverse à ladite direction axiale D. Par cette réalisation particulière des trous de dilution, la distance existant entre ces trous et les orifices de refroidissement est toujours constante de sorte que les risques de criques sont supprimées ou à tout le moins notablement minimisées.

De préférence, lesdits trous de dilution comportent des largeurs Li pouvant être différentes selon le flux de refroidissement souhaité et ils comportent des bords rayonnés. Avantageusement, la paroi annulaire comporte en outre une pluralité d'orifices additionnels de refroidissement disposés directement en amont et en aval desdits trous de dilution et répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres, les axes géométriques de chacun desdits orifices additionnels de refroidissement étant disposés dans un plan perpendiculaire à ladite direction axiale D et inclinés d'un angle d'inclinaison 02 par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire, et lesdits orifices additionnels de refroidissement étant orientés dans un sens et un sens opposé selon qu'ils sont disposés en amont ou en aval desdits trous de dilution. La présence des orifices additionnels de refroidissement disposés de façon inclinée dans un plan perpendiculaire au sens d'écoulement des gaz de combustion, directement en amont et en aval des trous de dilution, permet d'assurer un refroidissement efficace par rapport à la multiperforation axiale classique où le film d'air est stoppé par la présence de ces trous de dilution et cela sans modifier l'écoulement dans la zone primaire. Selon un mode de réalisation de l'invention avantageux, ladite inclinaison 02 desdits orifices additionnels par rapport à la normale N à ladite paroi annulaire est identique à celle 01 desdits orifices de refroidissement et un diamètre d2 desdits orifices additionnels est identique à celui dl desdits orifices de refroidissement. De préférence, ladite pluralité d'orifices additionnels de refroidissement disposés en amont desdits trous de dilution s'étend jusqu'en aval de trous primaires répartis selon une rangée circonférentielle et permettant à de l'air circulant du côté froid de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud afin de créer ledit mélange air/carburant. Lesdits trous primaires présentent chacun une section rectangulaire d'une même longueur axiale L et d'une largeur Li selon une direction transverse à ladite direction axiale D. La présente invention a également pour objet une chambre de 35 combustion et une turbomachine (ayant une chambre de combustion) comportant une paroi annulaire telle que définie précédemment.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion de turbomachine dans son environnement ; - la figure 2 est une vue partielle et en développé de l'une des parois annulaires de la chambre de combustion de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue partielle et en perspective d'une partie de la paroi annulaire de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue en coupe transversale partielle de la chambre de combustion de la figure 1. Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre dans son environnement une chambre de combustion 10 pour turbomachine. Une telle turbomachine comporte notamment une section de compression (non représentée) dans laquelle de l'air est comprimé avant d'être injecté dans un carter de chambre 12, puis dans la chambre de combustion 10 montée à l'intérieur de celui-ci. L'air comprimé est introduit dans la chambre de combustion et mélangé à du carburant avant d'y être brûlé. Les gaz issus de cette combustion sont alors dirigés vers une turbine haute-pression 14 disposée en sortie de la chambre de combustion via un distributeur Haute Pression 15. La chambre de combustion est de type annulaire. Elle est formée d'une paroi annulaire interne 16 et d'une paroi annulaire externe 18 qui sont réunies en amont par une paroi transversale 20 également annulaire et formant le fond de chambre. Les parois annulaires interne 16 et externe 18 s'étendent selon un axe longitudinal légèrement incliné par rapport à l'axe longitudinal 22 de la turbomachine. Le fond de chambre 20 est pourvu d'une pluralité d'ouvertures 20A disposées régulièrement sur ce fond et dans lesquelles sont montés des injecteurs de carburant 24.

Le carter de chambre 12, qui est formé d'une enveloppe interne 12a et d'une enveloppe externe 12b, ménage avec la chambre de combustion 10 des espaces annulaires 26 dans lequel est admis de l'air comprimé destiné à la combustion, à la dilution et au refroidissement de la chambre. Les parois annulaires interne 16 et externe 18 présentent chacune un côté froid 16a, 18a disposé du côté de l'espace annulaire 26 dans lequel circule l'air comprimé et un côté chaud 16b, 18b tourné vers l'intérieur de la chambre de combustion (figure 3).

La chambre de combustion 10 se divise en une zone dite « primaire » (ou zone de combustion) et une zone dite « secondaire » (ou zone de dilution) située en aval de la précédente (l'aval s'entend par rapport à une direction générale axiale d'écoulement des gaz issus de la combustion du mélange air/carburant à l'intérieur de la chambre de combustion et matérialisée par la flèche D). L'air qui alimente la zone primaire de la chambre de combustion est introduit par une rangée circonférentielle de trous primaires 28 pratiqués dans les parois annulaires interne 16 et externe 18 de la chambre sur toute la circonférence de ces parois annulaires. Quant à l'air alimentant la zone secondaire de la chambre, il emprunte une pluralité de trous de dilution 30 également formés dans les parois annulaires interne 16 et externe 18 sur toute la circonférence de ces parois annulaires. Ces trous de dilution sont également alignés selon une rangée circonférentielle qui est décalée axialement vers l'aval par rapport à la rangée des trous primaires. Afin de refroidir les parois annulaires interne 16 et externe 18 de la chambre de combustion qui sont soumises aux températures élevées des gaz de combustion, il est prévu une pluralité d'orifices de refroidissement 32 (illustrés sur les figures 2 et 3).

Ces orifices 32, qui assurent un refroidissement des parois 16, 18 par multiperforation, sont répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres. Ces rangées d'orifices de multiperforation couvrent toute la surface des parois annulaires de la chambre à l'exception de zones particulières précisément délimitées objets de l'invention.

Le nombre et le diamètre dl des orifices de refroidissement 32 sont identiques dans chacune des rangées. Le pas pi entre deux orifices d'une même rangée est constant et peut être identique ou non pour toutes les rangées. Par ailleurs, les rangées adjacentes d'orifices de refroidissement sont arrangées de façon à ce que les orifices 32 soient disposés en quinconce comme représenté sur la figure 2. Comme illustré sur la figure 3, les orifices de refroidissement 32 présentent généralement un angle d'inclinaison 01 par rapport à une normale N à la paroi annulaire 16, 18 au travers de laquelle ils sont percés. Cette inclinaison 01 permet à l'air empruntant ces orifices de former un film d'air le long du côté chaud 16b, 18b de la paroi annulaire. Par rapport à des orifices non inclinés, elle permet d'augmenter la surface de la paroi annulaire qui est refroidie. En outre, l'inclinaison 01 des orifices de refroidissement 32 est dirigée de sorte que le film d'air ainsi formé s'écoule dans le sens d'écoulement des gaz de combustion à l'intérieur de la chambre (schématisé par la flèche D). A titre d'exemple, pour une paroi annulaire 16, 18 réalisée en matériau métallique ou céramique et ayant une épaisseur comprise entre 0,6 et 3,5mm, le diamètre dl des orifices de refroidissement 32 peut être 20 compris entre 0,3 et 1 mm, le pas dl compris entre 1 et 10 mm et leur inclinaison 01 comprise entre +30° et +70°, typiquement +60°. A titre de comparaison, pour une paroi annulaire ayant les mêmes caractéristiques, les trous primaires 28 possèdent un diamètre de l'ordre de 4 à 20 mm. Selon l'invention, les trous de dilution 30 présentent chacun une 25 section rectangulaire de même longueur L axiale (c'est-à-dire selon l'axe moteur) et de largeur Ll, L2, L3 selon une direction transverse à l'axe moteur pouvant être différente ou non selon le flux de refroidissement souhaité. Avec cette configuration particulière et au contraire des configurations circulaires à diamètres différents de l'art antérieur, les trous 30 de dilution présentent ainsi tous une même position axiale de sorte que la distance avec les orifices de refroidissement qui les entourent est constante et identique en amont comme en aval. On notera toutefois que pour éviter les concentrations de contraintes et ainsi limiter les départs de criques, les bords de ces trous de dilution sont avantageusement 35 rayonnés.

En outre, chaque paroi annulaire 16, 18 de la chambre de combustion comporte, disposés directement en amont et en aval de ces trous de dilution rectangulaires 30 et répartis selon plusieurs rangées circonférentielles, typiquement au moins 10 rangées de chaque côté, une pluralité d'orifices additionnels de refroidissement 34. Toutefois, au contraire des orifices de refroidissement précédents qui délivrent un film d'air s'écoulant dans la direction axiale D, le film d'air délivré par ces orifices additionnels s'écoule dans une direction transverse du fait de leur disposition dans un plan perpendiculaire à cette direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion. Cette multiperforation réalisée perpendiculairement à l'axe de la turbomachine (dans la suite de la description, on parlera de multiperforation giratoire par opposition à la multiperforation axiale des orifices de refroidissement 32) permet de rapprocher les orifices additionnels des trous de dilution et donc d'améliorer l'efficacité du mélange air/carburant. De plus, l'orientation de la multiperforation giratoire en aval des trous de dilution est exactement opposée à celle existant en amont de façon à retrouver en sortie de la zone de multiperforation giratoire aval un flux presque axial comme le flux d'origine en amont de la zone de multiperforation amont. Par contre, au niveau de la rangée circonférentielle des trous de dilution 30, entre chacun de ces différents trous, la multiperforation reste de type axial avec les orifices classiques de refroidissement 32. De plus, comme l'illustre la figure 4, les orifices additionnels de refroidissement 34 comportent une orientation opposée selon qu'ils sont percés sur la paroi annulaire externe 18 ou la paroi annulaire interne 16 permettant ainsi encore d'améliorer l'efficacité du mélange air/carburant. Les orifices additionnels 34 d'une même rangée présentent un même diamètre d2, de préférence identique au diamètre dl des orifices de refroidissement 32, sont espacés d'un pas p2 constant qui peut être identique ou non au pas pl entre les orifices de refroidissement 32 et présentent une inclinaison 02, de préférence identique à l'inclinaison 01 des orifices de refroidissement 32 mais disposée dans un plan perpendiculaire et orientée dans un sens (tangentielle à droite par rapport à l'axe moteur) ou dans un autre opposé (tangentielle à gauche) selon que ces orifices sont disposés en amont ou en aval des trous de dilution 30 comme explicité précédemment.

Toutefois, ces caractéristiques des orifices additionnels 34 peuvent, tout en restant dans les plages de valeurs définies précédemment, être sensiblement différentes de celles des orifices de refroidissement 32, c'est-à-dire que l'inclinaison 02 des orifices additionnels d'une même rangée par rapport à une normale N à la paroi annulaire 16, 18 peut être différente de celle 01 des orifices de refroidissement, et le diamètre d2 des orifices additionnels d'une même rangée peut être différent de celui dl des orifices de refroidissement 32. Toutefois et à l'exception de leur orientation opposée, les orifices additionnels 34 en amont et en aval des trous de dilution présentent avantageusement des caractéristiques identiques. De préférence, la multiperforation giratoire en amont des trous de dilution 30 débute immédiatement derrière les trous primaires 28 (à partir de la ligne 28A) permettant ainsi en limitant l'élévation du gradient thermique d'éviter la formation de criques en aval de ces trous primaires. Dans ce cas, la multiperforation giratoire en aval trous de dilution 30 peut alors être poursuivie sur une distance identique à l'issue de laquelle la multiperforation peut redevenir de type axial au niveau d'une ligne 30B afin de combler le niveau local de giration et de ne pas perdre le rendement TuHP de la chambre de combustion. Le profil de température moyen en sortie de chambre est amélioré du fait du mélange plus efficace ainsi obtenu. Avec l'invention, la réalisation des orifices additionnels de refroidissement (par exemple par trépanage laser ou méthode similaire) permet, par rapport à un traitement localisé (pour lequel les perçages sont réalisés uniquement dans le voisinage direct de chacun des trous circulaires de dilution), de réduire les coûts et les délais de fabrication. On notera que le processus de fabrication peut encore être simplifié en réalisant les trous primaires 28 non plus classiquement à section circulaire mais également avec une section rectangulaire à bords rayonnés.

Claims

REVENDICATIONS1. Paroi annulaire (16, 18) de chambre de combustion (10) de turbomachine, comportant un côté froid (16a, 18a) et un côté chaud (16b, 18b), ladite paroi annulaire comportant : . une pluralité de trous de dilution (30) répartis selon une rangée circonférentielle pour permettre à de l'air circulant du côté froid (16a, 18a) de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud (16b, 18b) afin d'assurer la dilution d'un mélange air/carburant ; et . une pluralité d'orifices de refroidissement (32) pour permettre à l'air circulant du côté froid (16a, 18a) de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud (16b, 18b) afin de former un film d'air de refroidissement le long de ladite paroi annulaire, lesdits orifices de refroidissement étant répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres et les axes géométriques de chacun desdits orifices de refroidissement étant inclinés, dans une direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion, d'un angle d'inclinaison 01 par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire ; caractérisée en ce que lesdits trous de dilution présentent chacun une section rectangulaire d'une même longueur axiale L et d'une largeur Li selon une direction transverse à ladite direction axiale D.
2. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits trous de dilution comportent des largeurs Li pouvant être différentes selon le flux de refroidissement souhaité.
3. Paroi selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits trous de dilution comportent des bords rayonnés.
4. Paroi selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une pluralité d'orifices additionnels de refroidissement (34) disposés directement en amont et en aval desdits trous de dilution et répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres, les axes géométriques de chacun desdits orifices additionnels de refroidissement étant disposés dans un plan perpendiculaire à laditedirection axiale D et inclinés d'un angle d'inclinaison 02 par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire, et lesdits orifices additionnels de refroidissement étant orientés dans un sens et un sens opposé selon qu'ils sont disposés en amont ou en aval desdits trous de dilution.
5. Paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite inclinaison 02 desdits orifices additionnels par rapport à la normale N à ladite paroi annulaire est identique à celle 01 desdits orifices de refroidissement.
6. Paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un diamètre d2 desdits orifices additionnels est identique à celui dl desdits orifices de refroidissement.
7. Paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite pluralité d'orifices additionnels de refroidissement (34) disposés en amont desdits trous de dilution s'étend jusqu'en aval de trous primaires (28) répartis selon une rangée circonférentielle et permettant à de l'air circulant du côté froid (16a, 18a) de ladite paroi annulaire de pénétrer du côté chaud (16b, 18b) afin de créer ledit mélange air/carburant.
8. Paroi selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits trous primaires présentent chacun une section rectangulaire d'une même longueur axiale L et d'une largeur Li selon une direction transverse à ladite direction axiale D.
9. Chambre de combustion (10) de turbomachine, comportant au moins une paroi annulaire (16, 18) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Turbomachine comportant une chambre de combustion (10) ayant au moins une paroi annulaire (16, 18) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.