FR3026469A1 - Paroi annulaire de chambre de combustion a alimentation d'air regule localement - Google Patents

Abstract

Paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine, comportant un côté froid et un côté chaud et comportant une pluralité d'orifices (46) pour permettre à de l'air circulant du côté froid de la paroi de pénétrer du côté chaud, paroi dans laquelle un ou plusieurs de ces orifices sont masqués par un bilame (40 ; 42, 44) qui, pour permettre une admission d'air dans la chambre de combustion, se plie jusqu'à démasquer cet orifice lorsque la température de la paroi annulaire à laquelle il est fixé est supérieure à une température prédéterminée par les deux matériaux le constituant.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des 5 chambres de combustion de turbomachine. Typiquement, une chambre de combustion 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. 10 Outre un guide bougie fixé sur la virole externe pour recevoir une bougie assurant l'allumage de la combustion, les viroles interne et externe sont chacune pourvues d'une pluralité de trous, notamment des trous dits «primaires» et «de dilution» répartis de façon circonférentielle, et de divers orifices permettant à de l'air circulant autour de la chambre 15 de combustion de pénétrer à l'intérieur de celle-ci. 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 disposés en amont des précédents est destiné à favoriser la dilution de ce même mélange air/carburant. 20 Lors du parcours du cycle moteur, la chambre de combustion doit fonctionner dans des situations extrêmes de sorte que les viroles interne et externe comme les brides de raccordement aux carters sont soumises aux températures élevées des gaz provenant de la combustion du mélange air/carburant. 25 Afin d'assurer leur refroidissement, des orifices supplémentaires dits de multiperforation sont donc également percés au travers de ces viroles sur toute leur surface et y compris les brides de raccordement aux carters. Ces orifices de rnultiperforation, inclinés en général à 60°, permettent à l'air circulant à l'extérieur de la chambre de pénétrer à 30 l'intérieur de celle-ci en formant le long des viroles des films d'air de refroidissement. Toutefois, ces trous et orifices percés lors de la fabrication de la chambre de combustion pour répondre à des compromis de nature à satisfaire à l'ensemble des contraintes relatives à la pollution (avec un 35 niveau maximal de NOX autorisé), la tenue thermique (notamment autour des trous de dilution et au niveau du guide bougie et des brides de raccordement où la température de métal est très élevée et où la densité maximale de trous de multi-perforation est souvent atteinte) ou la performance globale demandée pour la chambre notamment en fin de durée de vie (compte tenu de la quantité d'air prélevée qui a un impact direct sur le rendement thermodynamique final) définissent un schéma statique et figé d'alimentation d'air qui correspond aux pires conditions de température auxquelles les parois de la chambre peuvent être soumises localement du fait de ses conditions extrêmes de fonctionnement durant les différents cycles moteur comme au long de sa durée de vie.

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 permette une alimentation en air adéquat, et donc nécessairement localisée, de chacune des zones de cette paroi en fonction de la température à laquelle chacune de ces zones est soumise. A cet effet, il est prévu une paroi de turbomachine ayant un côté froid et un côté chaud et comportant une pluralité d'orifices pour permettre à de l'air circulant du côté froid de ladite paroi de pénétrer du côté chaud, caractérisée en ce qu'un ou plusieurs desdits orifices sont masqués par un bilame qui, pour permettre une admission d'air dans ladite chambre de combustion, se plie jusqu'à démasquer ledit orifice lorsque la température de ladite paroi annulaire à laquelle il est fixé est supérieure à une température prédéterminée par les deux matériaux le constituant. Ainsi, en utilisant l'effet de courbure d'un bilame en fonction de la température, la courbure masque ou démasque une ouverture dans la paroi et adapte la répartition d'air localement en fonction de la température atteinte par la paroi de la chambre de combustion.

De préférence, ledit bilame ayant une extrémité fixe et extrémité libre est formé par l'association de deux lames superposées de deux matériaux dont les coefficients de dilatation sont différents, le matériau dont le coefficient de dilatation est le plus élevé s'allongeant, au-delà de ladite température prédéterminée, davantage que celui dont le coefficient de dilatation est le plus faible, de sorte que ladite extrémité libre se plie dans la direction du matériau ayant le coefficient de dilatation le plus faible pour démasquer ledit orifice. Avantageusement, lesdites deux lames superposées sont associées par collage, soudage ou brasage selon la nature des matériaux utilisés. De préférence, ledit bilame est fixé à ladite chambre de combustion et masque, entièrement ou partiellement, ledit orifice pratiqué dans ladite paroi annulaire et peut être monté à l'intérieur de ladite chambre de combustion sur une surface interne de ladite paroi annulaire.

Avantageusement, la fixation dudit bilame à ladite paroi annulaire est réalisée au moyen d'au moins une clavette bloquant ledit bilame en rotation et maintenue par un clip. Selon un mode de réalisation avantageux, ledit bilame comporte en outre un conducteur électrique relié à une unité de commande pour en augmenter sélectivement ladite température prédéterminée et donc accroitre son ouverture afin de permettre une adaptabilité locale à toutes zones critiques de la chambre de combustion. Selon le mode de réalisation envisagé, lesdits orifices sont des trous primaires, des trous de dilution, des orifices de refroidissement ou encore des orifices aérodynamiques calibrés spécifiquement pour le refroidissement d'une zone particulière de la chambre de combustion où la densité maximale des trous de refroidissement est atteinte, comme au niveau du guide bougie ou des brides de raccordement au carter. La présente invention a également pour objet une chambre de 25 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 30 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 ; 302 646 9 4 - les figures 2A et 2B sont des vues partielles d'une paroi annulaire de la chambre de combustion de la figure 1 illustrant le principe de fonctionnement de l'invention ; et - la figure 3 est une vue partielle d'une paroi annulaire conforme à 5 l'invention au niveau du guide bougie ; - les figures 4A et 4B sont des vues partielles d'une paroi annulaire conforme à l'invention au niveau d'un trou primaire ou de dilution ; et - les figures 5A à 5D sont des vues partielles d'une paroi annulaire conforme à l'invention au niveau d'une bride de raccordement au carter. 10 Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre dans son environnement une chambre de combustion 10 de turbomachine. Une telle turbomachine comporte notamment une section de compression (non représentée) dans laquelle 15 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 20 chambre de combustion. 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 formant le fond de chambre. Elle peut être directe comme illustrée ou à flux inversé.

Dans ce cas, un coude de retour est placé entre la chambre de combustion et le distributeur de turbine. 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 dans lesquelles sont montés des injecteurs de carburant 24 et un guide-bougie 25 destiné à recevoir la bougie d'allumage de la combustion est fixé sur la paroi annulaire externe 18. 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 ainsi que des brides de raccordement au carter. 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. 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 30 sont alignés selon au moins une rangée circonférentielle qui est décalée axialement vers l'aval par rapport aux rangées des trous primaires 28 et ils peuvent avoir des diamètres différents avec notamment une alternance de gros et petits trous. Afin de refroidir les parois annulaires interne 16 et externe 18 25 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 répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres et qui assurent classiquement un refroidissement des parois 16, 18 par multiperforation. 30 Ces rangées d'orifices de multiperforation couvrent quasiment toute la surface des parois annulaires de la chambre et peuvent aussi être présentes dans le coude de retour en cas d'une chambre à flux inversé. Les orifices de refroidissement présentent généralement un angle d'inclinaison 0 par rapport à une normale N à la paroi annulaire 16, 18 au 35 travers de laquelle ils sont percés de façon à permettre à l'air empruntant ces orifices de former un film d'air le long du côté chaud 16b, 18b de la paroi annulaire qui s'écoule dans le sens d'écoulement des gaz de combustion à l'intérieur de la chambre (schématisé par la flèche). Selon l'invention, pour permettre une adaptation locale de la répartition d'air selon la température de chaque paroi annulaire 16, 18 de la chambre de combustion, il est proposé de disposer au niveau d'un ou plusieurs orifices d'entrée d'air déterminés un bilame 40 dont la courbure varie en fonction de la température et qui peut donc jouer un rôle de « robinet » d'air lorsque la température auquel il est soumis est supérieur à un seuil de température prédéfini par les deux matériaux le constituant.

Les figures 2A et 2B illustrent la structure et le fonctionnement d'un tel bilame 40 formé par l'association de deux lames de matériaux 42, 44 dont les coefficients de dilatation sont différents. Il peut s'agir selon leur nature de deux métaux ou de deux matériaux composites associés par collage (pour les composites de préférence), soudage ou brasage (pour les métaux). Une extrémité 42A, 44A du bilame est fixe et l'autre 42B, 44B est libre et masque, entièrement ou éventuellement partiellement, un orifice 46 pratiqué dans la paroi annulaire de la chambre de combustion. Cet orifice peut être un trou primaire, un trou de dilution ou un orifice de refroidissement. Mais, ce peut être aussi un orifice aérodynamique calibré spécifiquement pour le refroidissement d'une zone particulière de la chambre de combustion où la température est très élevée et la densité maximale des trous de refroidissement atteinte, comme le guide bougie ou les brides de raccordement, comme il sera décrit plus avant. La fixation à la paroi peut par exemple être réalisée au moyen d'une ou deux clavettes 48 bloquant le bilame en rotation et maintenues chacune simplement par un clip 50 (mais une fixation par rivets 52 est aussi possible comme illustrée sur la figure 3). La figure 2B montre bien l'effet de la température sur le bilame. En effet, lorsque le bilame soumis à la température de la paroi à laquelle il est fixé se réchauffe avec elle, le matériau 44 dont le coefficient de dilatation est le plus élevé s'allonge davantage que celui 42 en contact direct avec la paroi et dont le coefficient de dilatation est plus faible, et le bilame se plie donc au niveau de son extrémité libre dans la direction de ce dernier matériau, démasquant alors l'orifice 46 pour permettre une admission d'air dans la chambre de combustion.

Si la capacité à ouvrir un orifice en fonction de la température locale ne permet pas un débattement suffisant du bilame, il est possible d'adjoindre à celui-ci un conducteur électrique 54 (formant conducteur de chauffage additionnel) dont l'actionnement par une unité de commande appropriée 56 permettra une augmentation de la température du bilame et donc un accroissement de son ouverture. Cette configuration active illustrée à la figure 3, au contraire d'un bilame passif dont la plage d'utilisation est prédéfinie par les deux matériaux le constituant, permet une adaptabilité à toutes les zones critiques de la chambre de combustion en autorisant un pilotage (contrôlé par un algorithme préétabli) de cette plage d'utilisation. Les figures 3 à 5D montrent différents exemples de mise en oeuvre du bilame sur une paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine. La figure 3 montre une disposition du bilame 40 pour permettre au moyen d'un d'orifice aérodynamique spécialement calibré 46, un refroidissement de la zone critique en aval du guide bougie 25. Comme mentionné au paragraphe précédent, afin d'assurer une plage de régulation élargie, le bilame illustré est ici un bilame actif avec son conducteur de chauffage 54 connecté à son unité de commande 56. Les figures 4A et 4B montrent une application au niveau des trous primaires 28 ou des trous de dilution 30 avec, dans le cas de la figure 4B, un contrôle des débits admis dans la chambre de combustion qui est assuré non pas depuis la surface externe mais depuis la surface interne de la paroi annulaire sur laquelle le bilame est montée. Enfin, les figures 5A à 5D illustrent quatre possibilités distinctes d'admission d'un débit d'air de ventilation dans une des brides externes de raccordement au carter dont la zone critique thermiquement se situe à la jonction bride/chambre. Cette admission peut s'effectuer soit horizontalement avec pilotage du flux par l'amont (figure 5A), horizontalement et pilotage par l'aval (figure 5B), verticalement et pilotage par l'amont (figure 5C), verticalement et pilotage par l'aval (figure 5D), au niveau d'orifices de refroidissement préexistants 32 ou encore au niveau d'orifices aérodynamiques 46 calibrés spécifiquement pour cette ventilation. Avec l'invention, on obtient un contrôle local de l'alimentation 35 aérodynamique qui peut être mis en oeuvre simplement et à faible cout dans toutes les zones critiques de la chambre de combustion et pour l'ensemble du cycle moteur.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Paroi annulaire (16, 18) de chambre de combustion (10) de turbomachine, comportant un côté froid (16a, 18a) et un côté chaud (16b, 18b) et comportant une pluralité d'orifices (28, 30, 32, 46) pour permettre à de l'air circulant du côté froid de ladite paroi de pénétrer du côté chaud, caractérisée en ce qu'un ou plusieurs desdits orifices sont masqués par un bilame (40; 42, 44) qui, pour permettre une admission d'air dans ladite chambre de combustion, se plie jusqu'à démasquer ledit orifice lorsque la 10 température de ladite paroi annulaire à laquelle il est fixé est supérieure à une température prédéterminée par les deux matériaux le-constituant.
2. 2. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit bilame ayant une extrémité (42A, 44A) fixe et une extrémité (42B, 44B) libre est formé 15 par l'association de deux lames superposées (42, 44) de deux matériaux dont les coefficients de dilatation sont différents, le matériau (44) dont le coefficient de dilatation est le plus élevé s'allongeant, au-delà de ladite température prédéterminée, davantage que celui (42) dont le coefficient de dilatation est le plus faible, de sorte que ladite extrémité libre se plie 20 dans la direction du matériau ayant le coefficient de dilatation le plus faible pour démasquer ledit orifice.
3. 3. Paroi selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites deux lames superposées sont associées par collage, soudaçe ou brasee.alen 25 la nature des matériaux utilisés.
4. 4. Paroi selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit bilame est fixé à ladite chambre de combustion -et masque, entièrement ou partiellement, ledit orifice pratiqué dans ladite paroi 30 annulaire.
5. 5. Paroi selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit bilame est monté à l'intérieur de ladite chambre de combustion sur une surface interne de ladite paroi annulaire. 35
6. 6. Paroi selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce que la fixation dudit bilame à ladite paroi annulaire est réalisée au moyen d'au moins une clavette (48) bloquant ledit bilame en rotation et maintenue par un clip (50).
7. 7. Paroi selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit bilame comporte en outre un conducteur électrique (54) relié à une unité de commande (56) pour en augmenter sélectivement ladite température prédéterminée et donc accroitre son ouverture afin de permettre une adaptabilité locale à toutes zones critiques de la chambre de combustion.
8. 8. Paroi selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits orifices sont des trous primaires (28), des trous de dilution (20), des orifices de refroidissement (32) ou encore des orifices aérodynamiques (46) calibrés spécifiquement pour le refroidissement d'une zone particulière de la chambre de combustion où la densité maximale des trous de refroidissement est atteinte, comme au niveau du guide bougie (25) ou des brides de raccordement au carter.
9. 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. 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.