FR3071907A1 - Chambre de combustion de moteur aeronautique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une chambre (9) de combustion de moteur aéronautique, qui comprend un cloisonnement (15) de la circulation d'air de refroidissement entre des orifices (124) ménagés dans un fond de chambre (116), pour assurer une circulation d'air sur une face amont du déflecteur (122) de protection thermique fixé sur ledit fond de chambre, et les bords radialement externe (122a) et radialement interne (122b) du déflecteur (122).

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION DE MOTEUR AERONAUTIQUE
DOMAINE [001] La présente invention concerne une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz pour aéronef. Un moteur à turbine à gaz pour aéronef comprenant une telle chambre de combustion est aussi concerné. [002] FR 2931929 divulgue une chambre de combustion présentant un axe et comprenant :
- une paroi, ou virole, radialement interne et une paroi, ou virole, radialement externe qui définissent un intérieur de chambre et sont reliées par une paroi formant un fond de chambre, lequel fond est pourvu d'ouvertures destinées à recevoir chacune un injecteur de carburant,
- un déflecteur de protection thermique fixé sur le fond de chambre et présentant des bords radialement externe et radialement interne ménageant des interstices respectifs avec les viroles (respectivement) interne et externe, et
- des orifices, ou multi-perforations (appelés multi-holes), ménagés dans le fond de chambre, pour assurer une circulation d'air de refroidissement sur une face amont du déflecteur, entre les orifices et les bords radialement externe et radialement interne du déflecteur.
[003] Dans la présente description :
- toute expression « un(e)» couvre « au moins un(e)», donc un(e) ou plusieurs,
- les expressions « radial » et « axial » se réfèrent à l’axe du foyer de combustion de la chambre de combustion (repéré 200 ci-après), lequel peut être (ici, est) incliné (ci-après angle ά) par rapport à l'axe du moteur (ci-après axe 100) autour duquel tournent les aubes de ce moteur.
[004] Parmi les problèmes encore à résoudre sur une telle chambre de combustion, on notera :
- l’amélioration de la durée de vie du/des déflecteurs directement exposés à la flamme de la combustion qui s’opère dans ledit intérieur de chambre,
- le contrôle de répartition du débit d’air de refroidissement au-delà, en aval donc, desdits orifices de passage ménagés à cet effet dans le fond de chambre,
- le contrôle de l’alimentation des films de refroidissement des viroles interne et externe du tube à flamme, lesquels films se développent en périphérie radialement extérieure de la chambre, dans la continuité axiale des interstices établis donc entre les bords (radialement) interne et radialement externe du déflecteur et les viroles (radialement) interne et externe,
- l’utilisation optimisée de l’air de refroidissement pour réduire la pollution ou aider au refroidissement de la turbine haute pression située en aval de la chambre de combustion.
[005] De fait, dans la solution de FR 2931929, au-delà des orifices de passage dans le fond de chambre, l’air de refroidissement se répartit de façon non contrôlée entre le fond de chambre et le déflecteur, pour s’évacuer par lesdits interstices, sous l’effet du différentiel de pression dont la composante aval (dans ledit intérieur de chambre qui définit donc un tube à flamme) peut être hétérogène.
[006] En outre, l’alimentation des orifices de passage d’air du fond de chambre est aussi souvent affectée par plusieurs effets :
- l’hétérogénéité de la pression d’alimentation amont,
- l’effet convectif qui augmente à mesure que l’on s’éloigne dudit axe de la chambre de combustion : le déflecteur côté TAF (moyen typiquement utilisé pour calculer la température de combustion, qui est habituellement appelée la température adiabatique de la flamme ; TAF) observe une température hétérogène dû à la position et au rayonnement de la flamme,
- l’hétérogénéité de la pression aval (dans l’espace précité entre le fond de chambre et le déflecteur) sous l’effet du cumul du débit d’air convectif de l’air de refroidissement et de l’éloignement radial du centre du déflecteur.
[007] Ce sont là des inconvénients.
[008] Afin d’apporter une solution à tout ou partie des problèmes et/ou inconvénients susmentionnés, il est d’abord proposé que la chambre de combustion présentée ci-avant présente un cloisonnement de la circulation d'air de refroidissement entre lesdits orifices de passage d’air ménagés dans le fond de chambre et les bords radialement externe et radialement interne du déflecteur.
[009] Parmi les effets attendus, on notera :
- la maîtrise d’une solution mécanique simple,
- une maîtrise de l’alimentation desdits films de refroidissement des viroles interne et externe du tube à flamme, cette maîtrise dépendant de la répartition plus ou moins hétérogène en pression statique de la flamme en fond de chambre, puis, plus en aval, à l’intérieur du tube à flamme,
- une amélioration de la durée de vie du/des déflecteurs exposés à des flammes de plus en plus chaudes, par une limitation des températures atteintes par ces pièces,
- une alimentation optimisée en débit des films de viroles interne et externe, en sortie du déflecteur, au niveau desdits interstices,
- une utilisation optimisée de l’air de refroidissement pour réduire la pollution ou aider au refroidissement de la turbine haute pression.
[010] Il est en outre proposé que le cloisonnement comprenne des parois qui, au-delà des orifices en fond de chambre, en aval, orientent l'air de refroidissement sensiblement transversalement à une direction axiale passant par le fond de chambre et le déflecteur (axe 200 précité).
[011] On en attend une efficacité accrue du refroidissement par impact entre le fond de chambre et le déflecteur. En effet un débit transverse croissant cisaillera les jets provenant desdits orifices de fond de chambre. Une telle réorientation de l’air pourrait augmenter la capacité convective des jets d’impact de 10 à 30%.
[012] En liaison avec ce point, il est d’ailleurs aussi proposé que, disposé au moins en partie, radialement, entre une partie radialement interne et une partie radialement externe de l’ensemble des orifices, le cloisonnement oriente :
- une partie radialement interne de la circulation d'air de refroidissement, vers une partie radialement interne du déflecteur et vers lesdits interstices présents au niveau de la virole interne, et
- une partie radialement externe de la circulation d'air de refroidissement vers une partie radialement externe du déflecteur et vers lesdits interstices présents au niveau de la virole externe.
[013] On pourra ainsi favoriser le contrôle de la répartition du débit d’air de refroidissement au niveau du/des déflecteurs et donc celui de l’alimentation en débit desdits films de refroidissement des viroles, en sortie de déflecteur.
[014] Avantage par ailleurs de la simplicité de la solution : le cloisonnement de la circulation d'air de refroidissement pourra ne comprendre que de simples parois s’étendant depuis le fond de chambre jusqu’au déflecteur.
[015] Ces parois pourront, à la manière de murets, être fixées au(x) déflecteur(s) et/ou au fond de chambre, et être réalisées par usinage, par fonderie ou par fabrication additive.
[016] De préférence, les parois de cloisonnement seront pleines. Dans ce cas, le cloisonnement sera alors étanche à l’air et on utilisera au mieux l’air, sans perte de charge entre les zones cloisonnées.
[017] Pour, comme mentionné ci-avant, en particulier une maîtrise de l’alimentation des films de refroidissement des viroles interne et externe et une alimentation optimisée en débit de ces films, il est aussi proposé que le cloisonnement définisse des secteurs de cloisonnement qui divergeront depuis les orifices vers au-delà, en aval.
[018] Ainsi on pourra, par secteurs angulaires, diriger et maîtriser les débits concernés.
[019] A ce sujet, la zone de la bougie est typiquement une zone critique dans la chambre de combustion.
[020] Aussi est-il proposé, pour densifier le film d’air en sortie des interstices et protéger l’axe de bougie:
- que l’une des viroles radialement interne et radialement externe soit traversée par un passage adapté pour qu’une bougie d’allumage puisse communiquer avec l’intérieur de la chambre de combustion, et
- que le cloisonnement de la circulation d'air de refroidissement définisse un secteur de cloisonnement qui converge radialement vers un secteur des interstices établis avec lesdites viroles sensiblement qui est aligné angulairement avec ledit passage pour la bougie d’allumage.
[021] L’ invention sera si nécessaire plus complètement appréhendée et d’autres détails, caractéristiques et avantages pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 schématise une turbomachine à gaz pour aéronef ;
la figure 2 est une coupe axiale (axe 100) montrant une moitié de chambre de combustion ;
la figure 3 est une coupe schématique comme la figure 2, mais partielle de la chambre de combustion alors équipée d’une solution conforme à l’invention (coupe lll-lll de la figure 4) ;
la figure 4 est une vue axiale dirigée vers le fond de chambre (flèche IV figure 3);
la figure 5 est une demi-coupe axiale schématique partielle de ladite chambre, suivant une variante conforme à l’invention ; et les figures 6, 7 sont aussi des variantes conformes où l’on voit, en vue de face axiale, des fonds de chambre équipés de cloisonnements.
DESCRIPTION DETAILLEE [022] Un exemple de moteur à turbine à gaz ou turbomachine pour aéronef, pouvant comprendre une chambre de combustion conforme à l’invention et sur laquelle on revient ci-après, est schématisé figure 1.
[023] Comme connu, une telle turbomachine, ici repérée 5, comporte typiquement une entrée d'air (plénum) qui forme une ouverture pour l'admission d'un flux d'air vers le moteur proprement dit. Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression de l'air admis (généralement une section basse pression 7a et une section haute pression 7b). L'air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion 9 et mélangé avec du carburant avant d'y être brûlé.
[024] Les gaz de combustion chauds sont ensuite détendus dans différents étages de turbine 11a, 11b, tels un étage à haute pression 11a immédiatement en aval de la chambre, puis des étages de turbine à basse pression 11b.
[025] Chaque étage de turbine, telle 11a ou 11b, comporte une rangée d'aubes fixes, aussi appelée distributeur 13, suivie d'une rangée d'aubes mobiles espacées circonférentiellement, autour du disque de la turbine. Le distributeur 13 dévie et accélère le flux de gaz issu de la chambre de combustion vers les aubes mobiles de turbine afin d'entraîner en rotation ces aubes mobiles et le disque de la turbine. 100 est l’axe de rotation.
[026] La chambre de combustion 9 peut être celle de la figure 2 où l'autre moitié de la chambre de combustion peut se déduire par symétrie par rapport à l'axe 100 du moteur. Il peut s’agir d’une chambre dite divergente, comme illustrée, mais une convergente pourrait convenir.
[027] La chambre de combustion 9 est comprise dans une chambre de diffusion 130 qui est un espace annulaire défini entre un carter externe 132 et un carter interne 134, et dans lequel est introduit un comburant comprimé provenant en amont du compresseur 7b par l'intermédiaire d'un conduit annulaire de diffusion 136. Cette chambre de combustion comporte une paroi externe 112 et une paroi interne 114, qui sont coaxiales et sensiblement coniques, et qui s'évasent de l'amont vers l'aval avec un angle de cône ά. Les parois externe 112 et interne 114 sont reliées entre elles vers l'amont (AM) de la chambre de combustion par un fond de chambre 116. Le fond de chambre 116 est une pièce sensiblement tronconique, qui s'étend entre deux plans sensiblement transversaux en s'évasant de l'aval vers l'amont. Le fond de chambre 116 se raccorde à chacune des deux parois externe 112 et interne 114. Le fond de chambre est doté de systèmes d'injection 118 à travers lesquels passent des injecteurs 120 qui introduisent du carburant dans une zone amont de la chambre 9 où se déroulent les réactions de combustion. Les injecteurs 120 sont disposés circonférentiellement autour de l’axe 200. On en voit un figure 2 qui s’ouvre sur un canal à carburant 121, lequel débouche dans le fond de chambre 116. Afin d'éviter d’endommager ce fond de chambre, il est prévu des écrans de protection thermique ou déflecteurs 122. Ce sont des plaques sensiblement planes disposées et fixées sur une face intérieure du fond de chambre 116. Ils sont refroidis au moyen de jets d'air de refroidissement pénétrant dans la chambre de combustion à travers des orifices 124 de refroidissement (appelés multi-holes) prévus dans le fond de chambre 116, typiquement via une grille multiperforée 125. Ces jets d'air, s'écoulant de l'amont vers l'aval (AV), sont guidés par des carénages de chambre 126, traversent le fond de chambre 116 à travers les orifices 124 et viennent impacter une face amont des déflecteurs 122.
[028] Comme déjà énoncé, cette réalisation souffre de problèmes liés à l’hétérogénéité de la pression d’alimentation amont (AM), un effet convectif qui augmente à mesure que l’on s’éloigne de l’axe 200, l’hétérogénéité de la pression aval (AV).
[029] Figure 3, qui, comme les suivantes, montre une solution conforme à l’invention, on voit ainsi que, pour surmonter une partie au moins de ces problèmes, la chambre de combustion 9 annulaire présente un cloisonnement 15 qui cloisonne la circulation d'air de refroidissement 17 entre les orifices 124 et les bords radialement externe 122a et radialement interne 122b du déflecteur 122.
[030] Comme on le voit figures 4-6, le cloisonnement 15 comprendra favorablement des parois 150 qui, au-delà des orifices 124 - en aval de ces orifices - orienteront l'air 17 sensiblement transversalement à une direction axiale passant par le fond de chambre 116 et le déflecteur 122, donc en l’espèce parallèle à l’axe 200.
[031] Ainsi, pouvant être disposé au moins en partie, radialement, entre une partie radialement externe 125a et une partie radialement radialement interne 125b de la grille multiperforée 125 (portant les parties respectives 124a, 124b des orifices 124), le cloisonnement 15 pourra orienter, comme montré par exemple figure 5 :
- une partie radialement interne 17b de la circulation d'air de refroidissement, vers une partie radialement interne 122b du déflecteur 122 et vers lesdits interstices présents au niveau de la virole interne 114, et
- une partie radialement externe 17a de la circulation d'air de refroidissement vers une partie radialement externe 122a du déflecteur et vers lesdits interstices présents au niveau de la virole externe 112.
[032] Ainsi, ces viroles externe et interne seront protégées plus favorablement, compte tenu de leurs expositions à de très fortes températures (> 900 deg C) et de l’apparition de fissures et brûlures.
[033] Pour assurer ce guidage du flux d'air de refroidissement 17 au meilleur endroit, il est proposé que le cloisonnement 15 comprenne des parois 150 qui s’étendront d’amont en aval, depuis le fond de chambre 116, typiquement la grille multiperforée 125, jusqu’au déflecteur 122.
[034] A priori, les parois 150 seront pleines. Elles peuvent être de formes quelconques et être intégrées au fond de chambre ou au déflecteur.
[035] Comme on le voit sur les deux exemples des figures 6,7, le cloisonnement 15 pourra définir des secteurs de cloisonnement, tels 151a figure 7, qui divergeront depuis les orifices 124 vers au-delà, en aval.
[036] Les figures 6,7 montrent que, par exemple, le cloisonnement 15 peut favoriser une répartition d’air vers les angles (figure 6) si on cherche à les refroidir d’avantage. On peut aussi différencier le cloisonnement selon la position du déflecteur 122 dans la chambre de combustion 9: par exemple pour un déflecteur situé dans le secteur de la bougie, 137 figure 2, on peut chercher à densifier le film d’air en sortie de déflecteur (1220a, 1220b figure
3), pour protéger l’axe 137a de bougie, ou au contraire chercher à limiter sa dynamique pour favoriser l’allumage.
[037] Concernant cette bougie 137, c’est dans l’exemple la virole radialement externe 112 qui est traversée par un passage 138 adapté pour que la bougie d’allumage 137 puisse communiquer avec l’intérieur 110 de la chambre de combustion.
[038] C’est ainsi qu’il est proposé figure 7 que le cloisonnement 15 de la circulation d'air définit un secteur 127a de cloisonnement qui converge radialement vers un secteur des interstices, en l’espèce interstice 19a, qui est sensiblement aligné angulairement avec le passage 138 de la bougie.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Chambre de combustion de moteur à turbine à gaz pour aéronef, la chambre de combustion présentant un axe et comprenant :
    - une virole radialement interne (114) et une virole radialement externe (112) définissant un intérieur de chambre (110) et qui sont reliées par une paroi formant un fond (116) de chambre, lequel est pourvu d'ouvertures destinées à recevoir chacune un injecteur (120) de carburant,
    - un déflecteur (122) de protection thermique fixé sur ledit fond de chambre (116) et présentant des bords radialement externe (122a) et radialement interne (122b) ménageant des interstices (19a, 19b) respectifs avec les viroles interne (114) et externe (112),
    - des orifices (124) ménagés dans le fond de chambre (116), pour assurer une circulation d'air de refroidissement sur une face amont du déflecteur (122), entre les orifices (124) et les bords radialement externe et radialement interne du déflecteur (122), caractérisée en ce qu’elle présente un cloisonnement (15) de la circulation d'air de refroidissement entre les orifices (124) et les bords radialement externe (122a) et radialement interne (122b) du déflecteur (122).
  2. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle le cloisonnement (15) comprend des parois (150) qui, au-delà des orifices (124), en aval, orientent l'air de refroidissement sensiblement transversalement à une direction axiale (200) passant par le fond de chambre (116) et le déflecteur (122).
  3. 3. Chambre de combustion selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle, disposé au moins en partie, radialement, entre une partie radialement interne (124b) et une partie radialement externe (124a) des orifices (124), le cloisonnement oriente :
    - une partie radialement interne de la circulation d'air de refroidissement, vers une partie radialement interne (122b) du déflecteur et vers lesdits interstices présents au niveau de la virole interne (114), et
    - une partie radialement externe de la circulation d'air de refroidissement vers une partie radialement externe (122a) du déflecteur et vers lesdits interstices présents au niveau de la virole externe (112).
  4. 4. Chambre de combustion selon l’une des revendications 5 précédentes, dans laquelle le cloisonnement (15) de la circulation d'air de refroidissement comprend des parois (150) qui s’étendent depuis le fond de chambre (116) jusqu’au déflecteur (122).
  5. 5. Chambre de combustion selon la revendication 4, dans laquelle les parois (150) de cloisonnement de la circulation d'air de
    10 refroidissement sont pleines.
  6. 6. Chambre de combustion selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le cloisonnement définit des secteurs (127a) de cloisonnement qui divergent depuis les orifices (124) vers au-delà, en aval.
  7. 7. Chambre de combustion selon l’une des revendications 15 précédentes, dans laquelle :
    - l’une des viroles radialement interne (114) et radialement externe (112) est traversée par un passage (138) adapté pour qu’une bougie d’allumage (137) puisse communiquer avec l’intérieur (110) de la chambre de combustion, et
    20 - le cloisonnement (15) de la circulation d'air de refroidissement définit un secteur (127a) de cloisonnement qui converge radialement vers un secteur des interstices (19a) avec les viroles interne (114) et externe (112) qui est sensiblement aligné angulairement avec le passage (138) pour la bougie d’allumage (137).
    25
  8. 8. Moteur (5) à turbine à gaz pour aéronef, comprenant la chambre de combustion selon l’une des revendications précédentes.
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