FR3071908B1 - Chambre de combustion de turbomachine a geometrie de cheminee fixe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une chambre de combustion comprenant : - une cheminée (722) avec un logement pour une bougie d'allumage (13) débouchant dans un volume intérieur de la chambre de combustion, - et un guide bougie monté sur la cheminée de manière à être mobile transversalement par rapport à l'axe de la cheminée. La cheminée est traversée par des orifices (722b) qui, parallèlement à l'axe de la cheminée, sont étagés en plusieurs rangs (74a,74b...) sur la hauteur (H) de la cheminée avec individuellement certains au moins des orifices qui ont un diamètre compris entre 0.2 et 0.6 mm.

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE A GEOMETRIE DE CHEMINEE FIXE

[001] La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz (ou turbomachines) pour aéronef, tels que les turboréacteurs, et porte plus particulièrement sur l'agencement d'une bougie d'allumage dans la chambre de combustion de ce type de moteur.

[002] Dans un tel moteur, la chambre de combustion reçoit l'air du compresseur dont une partie est mélangée au carburant et est brûlée dans la zone de combustion primaire. L'allumage est assuré par au moins une bougie disposée en aval du système de carburation. Une autre partie de l'air contourne la zone de combustion primaire et vient se mélanger aux gaz de combustion primaire. Ensuite, l'ensemble des gaz chauds est dirigé vers la turbine.

[003] Dans WO 2011/061143, est présentée une chambre de combustion de turbomachine à gaz pour aéronef qui comprend : - une cheminée présentant un axe, la cheminée, qui est traversée par des orifices, formant intérieurement un logement pour une bougie d'allumage débouchant dans un volume intérieur de la chambre de combustion, - un guide bougie monté sur la cheminée de manière à être mobile transversalement par rapport à l'axe de la cheminée.

[004] Les chambres de combustion sont étudiées pour répondre à des spécifications impératives telles que le rallumage en vol, la forme du profil de température, les émissions de gaz polluants ainsi que la tenue à la fois thermique et mécanique des composants. En particulier, le système d'allumage doit assurer le rallumage en vol en cas d'extinction accidentelle de la chambre de combustion, y compris en situation de windmilling (pales ou aubes tournant en moulinet), tout en résistant aux contraintes thermiques auxquelles il est soumis dans les conditions de fonctionnement habituelles de la chambre. On rappelle que le windmilling survient lorsque le moteur s’arrête et que les aubes de la soufflante et du compresseur de la turbomachine continuent à tourner à cause de la vitesse de l’air qui les traverse (sans besoin de combustion).

[005] Ce qui est ici visé est une solution permettant de concilier à la fois deux contraintes : - celle d’un allumage de chambre en windmilling, avec le moins possible d’air issu du refroidissement injecté dans la chambre, et - celle d’une bonne tenue thermique de la zone proche de la bougie, à haut régime de fonctionnement du moteur.

[006] La solution de WO 2011/061143 ne le vise pas, ni ne le permet particulièrement.

[007] Aussi est-il proposé dans l’invention que, parallèlement à l'axe de la cheminée, les orifices traversant la cheminée soient étagés en plusieurs rangs, certains au moins desdits orifices ayant individuellement un diamètre compris entre 0.2 mm et 0.6 mm.

[008] De préférence, ces orifices traversants étagés seront, en nombre, compris entre 50 et 500, [009] Quoi qu’il en soit, ce qui est proposé est une solution qui inclus l’équivalent d’une géométrie variable, tout en n’intégrant pas de pièces mécaniques mobiles, afin d’assurer au système une durée de vie satisfaisante.

[010] On obtient une réduction favorable du coefficient de débit dans les orifices concernés, lorsque la pression diminue.

[011] Pour favoriser encore davantage cet effet, il est proposé que certains au moins desdits orifices traversant la cheminée soient individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire à l'axe de la cheminée.

[012] E n inclinant les orifices individuellement dans une direction azimutale, on va, par rapport aux solutions en œuvre sur les moteurs existants, augmenter la longueur de ces orifices. Ainsi l’effet précité de réduction du coefficient de débit alors que la pression diminue sera accru. [013] A ce sujet, il est même conseillé que lesdits (certains au moins des) orifices, individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire à l'axe de la cheminée, s’étendent individuellement suivant une direction appartenant à un plan perpendiculaire à l'axe de la cheminée.

[014] Encore à ce sujet, il est aussi conseillé que lesdits (certains au moins des) orifices, individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire à l'axe de la cheminée, soient rectilignes.

[015] Ainsi, l’apport d’air s’effectuera par rangs, ou niveaux, et la réalisation des orifices sera facilitée.

[016] Pour un effet attendu de même nature, il est par ailleurs aussi conseillé: - que lesdits (certains au moins des) orifices, individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire à l'axe de la cheminée, soient inclinés suivant des directions appartement à un même plan (P4 ci-après) perpendiculaire à l'axe de la cheminée, et/ou - que chaque rang soit situé dans un plan (P4) perpendiculaire à l'axe de la cheminée.

[017] A priori on va ainsi faciliter la fabrication des cheminées et notamment leur perçage, et également favoriser une distribution homogène de l’air de refroidissement à proximité de la bougie.

[018] L'invention, qui s’applique également à une turbomachine à gaz pour aéronef comprenant la chambre de combustion avec tout ou partie des caractéristiques qui précèdent, sera éventuellement comprise de manière plus complète ci-après, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci pourront apparaître avec davantage de détails en référence à la description qui va suivre, où le(s) mode(s) de réalisation de l'invention sont donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : [019] La figure 1 montre en coupe longitudinale une partie d'une chambre de combustion de moteur à turbine à gaz selon l'art antérieur.

[020] La figure 2 montre le détail de la zone d'affleurement selon l'art antérieur d'une bougie d'allumage avec une cheminée et un guide bougie telle que montrée sur la figure 1.

[021] Les figures suivantes sont relatives à des réalisations conformes à l'invention avec : figures 3 et 4, un mode de réalisation de guide bougie amélioré (partie cylindrique de la cheminée seule représentée), figure 5, une variante de réalisation (partie cylindrique de la cheminée seule représentée), figure 6, un tableau qui compare l’effet de l’augmentation de la longueur d’orifices conformes à un mode de réalisation de l'invention avec les épaisseurs relevées de couche limite, et figure 7, pour différents diamètres d’orifices, une estimation de l’évolution du coefficient de débit (Cd) d’orifices (ici 720b) de refroidissement d'un guide bougie en fonction de la pression de l’air admis (échelle logarithmique). Est présenté également, sur l’axe de droite, à iso section géométrique globale, le débit passant par des trous de diamètre 0.8 mm divisé par le débit passant par des trous de 0.3 mm.

[022] Sur la figure 1, la chambre de combustion 1 est contenue dans un espace annulaire autour de l'axe X1 du moteur (turbomachine pour aéronef) 10, l’axe X1 étant l’axe autour duquel tournent les aubes de rotor. L’espace précité est limité par un carter extérieur 3. L’axe X2 d’extension de la chambre de combustion 1 vers l’entrée 2 de la turbine 4 du moteur 10 est incliné par rapport à l’axe X1. La chambre de combustion 1 comprend une ou plusieurs viroles externes formant une paroi externe 7 et, une ou plusieurs viroles internes formant une paroi interne 8 et maintenues ensemble par des brides ou des appuis. Elle est fermée en amont (AM) par un fond de chambre 9 associé à des carénages 6 amont. Des cannes d'injection de carburant 5 sont réparties autour de l'axe central X1 du moteur et débouchent, à travers des ouvertures ménagées dans le fond de chambre 9, à l'intérieur de la chambre de combustion : volume 15 situé entre les parois 7,8. Chaque canne d'injection de carburant est insérée dans un bol 11 comportant un divergent qui dévie une partie de l'air qui a pénétré dans la zone carénée en direction radiale et tourbillonnante vers le carburant pulvérisé, et assure ainsi le mélange du carburant et de l'air. Une zone de combustion primaire est alors formée immédiatement en aval (AV) du fond de chambre dans laquelle le mélange est allumé par une bougie électrique 13, ou plusieurs bougies réparties circonférentiellement.de préférence deux bougies.

[023] Comme présenté dans WO 2011/061143, la figure 2 montre en coupe le détail de la zone de la chambre de combustion où une ouverture est prévue pour le passage d'une bougie d'allumage. Par exemple la paroi externe 7 est percée d'un orifice circulaire 71 autour duquel est monté un tube cylindrique 72b orienté radialement (axe X3) par rapport à la paroi externe 7, et en l’espèce à l’axe X2. Ce tube forme une cheminée et définit un logement (72a figure 2, 721 figures 4,5) pour la bougie 13 qui passe, suivant l’axe X3, à travers cette cheminée formant logement. La cheminée comprend une surface 73 d'appui supérieure dans un plan perpendiculaire à l'axe X3 de la cheminée. La surface 73 est limitée par un rebord ou muret 73' orienté radialement vers l’extérieur. Sur la surface 73 repose le guide bougie 75 monté coaxialement autour de la bougie 13. Le guide bougie 75 comprend une collerette 76 et un cône d'introduction 77 autour d'une portion de cylindre de guidage 78. Il repose sur la surface d'appui 73 par l'intermédiaire de la collerette 76. La collerette 76 peut coulisser sur la surface 73, jusqu’au muret 73', transversalement à l’axe X3. Une coupelle 79 soudée sur le muret 73' maintient la collerette 76 radialement contre tout déplacement radial au-delà du muret 73'. La portion de surface cylindrique 78 présente un diamètre à peine supérieur à celui de la bougie. La bougie peut donc coulisser par rapport au guide bougie 75. La forme tronconique de la surface 77 facilite l'introduction de la bougie dans le guide bougie au moment du montage de la chambre. Le guide bougie 75 ferme ainsi l'espace annulaire entre la bougie 13 et la cheminée 72b. Cet espace annulaire est alimenté en air par des orifices 72b orientés vers la surface de la bougie.

[024] Un tel assemblage permet de suivre les déplacements relatifs résultant des variations thermiques et autres entre la chambre et le carter, le guide bougie 75 pouvant se déplacer le long de la surface d'appui 73 à l'intérieur du muret 73'.

[025] Mais on observe que la cheminée est perméable pour toutes les pressions de fonctionnement du moteur et de la chambre : Les orifices 72b, typiquement 12 à 25 orifices de diamètre individuel entre 0.6 et 1mm, qui sont non-étagés (tous placés sur un rang dans un plan perpendiculaire à l’axe X3 de la cheminée 72b) laissent passer de l’air à toute phase de vol, même pour des pressions inférieures à 0.5x105 Pa. Il est précisé que la hauteur H de la cheminée 72b est définie, parallèlement à l’axe X3, entre sa base 12a qui la limite du côté de la virole (la paroi externe 7 dans l’exemple) et son extrémité opposée, ici le plan 12b, coplanaire avec la surface 73 d'appui supérieure (où repose le guide bougie 75).

[026] Il s'ensuit que la perméabilité de la virole varie peu lorsque la pression diminue. Ainsi, le pourcentage d’air passant dans le guide bougie à forte pression est quasi identique à celui passant à faible pression. Ceci est défavorable à l’allumage car le débit de refroidissement de la bougie, à faible pression (0.1 à 0.5 x 105 Pa, typiquement), tend à éloigner le kérosène de la bougie et à éteindre les noyaux d’allumage, 0.3 x 105 Pa étant une condition typique de basse pression lors d’un rallumage en altitude.

[027] Au contraire, dans l’invention (voir figure 3 et suivantes), parallèlement à l'axe X3 de la cheminée, les orifices 720b,722b qui traversent la cheminée 720 ou 722: - sont étagés sur la hauteur H de la cheminée, en plusieurs rangs (74a à 74d dans l’exemple), situés chacun dans un plan P4 perpendiculaire à l’axe X3, et, de préférence, - sont en nombre compris entre 50 et 500, certains au moins d’entre eux ayant individuellement un diamètre compris entre 0.2 mm et 0.6 mm.

[028] Figures 3 à 5, on a en effet substitué à la cheminée 72 une cheminée 720 ou 722 conforme à l’invention, qui la remplacera sur les réalisations des figures 1,2.

[029] Ainsi, la cheminée multi-perforée 720 ou 722 sera quasiment imperméable à l’air aux faibles pressions susmentionnées.

[030] Les différents rangs existeront bien sûr tant en face interne 723 qu’externe 725 de la cheminée.

[031] Le nombre d’orifices 720b, 722b sera adapté en fonction de la taille de la cheminée et du débit que l’on souhaite.

[032] En pratique, et à titre d’exemple privilégié, on pourra prévoir une telle cheminée 720 ou 722 avec des orifices, respectivement 720b, 722b, qui pourront être au nombre de 120 à 160, avec un diamètre individuel de l’ordre de 0.25 - 0.45 mm.

[033] En effet, avec des structures de cheminées identiques (notamment mêmes hauteurs H, mêmes épaisseurs, mêmes diamètres de cheminée, mêmes matériaux), on peut estimer qu’il faut : - pour obtenir par exemple une configuration équivalente à celle de la figure 2 (mais alors imperméable à l’air aux faibles pressions susmentionnées), avec des orifices 72b supposés de 0.8 mm de diamètre individuel (20 orifices, soit 10mm2 de trous), - environ 140 orifices 720b ou 722b sur la cheminée 720 ou 722, à diamètre individuel de 0.3 mm.

[034] De fait, il a été relevé que plus les orifices 720b ou 722b sont individuellement de faible diamètre, plus on doit chercher à ce que leur nombre augmente. La limite en nombre d’orifices est au moins fixée par la capacité à les percer dans la cheminée, ainsi que par la distance minimale entre deux orifices nécessaire à la tenue mécanique de la pièce.

[035] En outre, la perméabilité à l’air de ces orifices est caractérisée par leurs coefficients de débit (Cd). Le coefficient de débit d’un orifice est le rapport entre le débit d’air effectif le traversant, et le débit d’air maximal théorique pouvant y passer. Il est inférieur à 1 en raison de la présence de la couche limite.

[036] Or, plus l’épaisseur de la couche limite est importante par rapport au diamètre de l’orifice, moins de débit peut passer et plus le coefficient de débit est proche de 0. A l’inverse, plus l’épaisseur de la couche limite est faible par rapport au diamètre de l’orifice, plus le coefficient de débit est proche de sa valeur maximale, 1.

[037] L’ ordre de grandeur de l’épaisseur de la couche limite au bout d’une longueur de 1 mm (épaisseur de la paroi formant cheminée) est de 0.035-0.045 mm, à 30x105 Pa et environ +570°C L’épaisseur augmente à 0.07 mm à environ 105 Pa, 27/29°C, et culmine à 0.10 mm à 0.2/0.4x105 Pa, à -25°C (condition typique d’un rallumage en altitude, vers 10.000m); voir figure 6.

[038] Lorsque la pression décroît, la taille de la couche limite augmente, car le nombre de Reynolds diminue. Le coefficient de débit des orifices à faible diamètre tend vers 0. A l’inverse, pour des orifices d’environ 1 mm de diamètre, le coefficient reste proche de 1 pendant une très large gamme de pression (correspondant à des conditions de windmilling jusqu’aux conditions de moteur plein gaz). Une estimation de l’évolution du coefficient de débit des orifices 720b ou 722b de refroidissement d'un guide bougie en fonction de la pression de l’air admis est présentée sur la figure 7, pour différents diamètres d’orifices (échelle logarithmique en pression). Le ratio de débits entre les deux configurations (Phi 0.8 et Phi 0.3), à iso section géométrique est présenté sur l’axe de droite. « Phi » désigne le diamètre d’un orifice 720b, 722b.

[039] Figures 3 à 5, on voit aussi distinctement que certains au moins des (dans l’exemple tous les) orifices 720b ou 722b sont disposés auxdits différents rangs, ici quatre rangs (74a à 74d) sur la hauteur H, chacun s’étendant dans un plan perpendiculaire à l’axe X3 de la cheminée.

[040] Figure 5, les orifices 722b ont, au moins essentiellement, une orientation individuelle perpendiculaire à l’axe X3 ; voir pointillés figurant l’un de ces orifices.

[041] Toutefois, pour renforcer l’effet d’une réduction du coefficient de débit dans les orifices concernés, lorsque la pression diminue, il est proposé figures 3,4, en plus d’avoir réduit le diamètre des orifices et avoir augmenté leur nombre par rapport à ceux 72b (pour maintenir la section où passe le débit d’air attendu), d’incliner les orifices 720b individuellement, ici dans la direction azimutale. En allongeant les orifices dans la paroi formant la cheminée, on va augmenter l’effet de la réduction du coefficient de débit avec la pression.

[042] Ainsi, certains au moins des (dans l’exemple tous les) orifices 720b traversant la cheminée pourront être individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire X4 à l'axe X3 de la cheminée.

[043] Et même, dans la solution préférée en termes de qualité et d’équilibre du refroidissement via lesdits orifices et de facilité de fabrication, il est proposé que certains au moins des (dans l’exemple tous les) orifices 720b,722b : - s’étendent suivant des directions appartenant à une succession de plans P4 perpendiculaires à l'axe X3 de la cheminée (rangs 74a-74d), et - soient rectilignes, dans leurs traversées respectives de la paroi cheminée 720 ou 722.

[044] Les orifices 720b ou 722b d’un même rang seront favorablement orientés suivant des directions appartement au même plan (plan individuel P4) perpendiculaire à l'axe X3.

[045] Les orifices 720b d’un même rang seront même alors inclinés suivant des directions (angles individuels A ; figure 4) appartement à un même plan P4 perpendiculaire à l'axe X3.

[046] Cette disposition favorisera tant la fabrication que l’homogénéité de la distribution de l’air. Ceci permettra aussi de pouvoir refroidir au mieux la bougie concernée, en conformité avec l’objectif globalement visé.

[047] Ainsi, en référence à la solution de la figure 3 ou 4, avec des orifices 720b configurés comme illustré et décrit ci-avant, avec chacun une inclinaison A de 50 à 70°, typiquement 60°, dans un desdits plans P4, par rapport à une normale X4 à l’axe X3, on multipliera environ par deux leurs longueurs individuelles, comparées à une orientation suivant X4 (cf. figure 5). Le tableau de la figure 6 compare l’effet de l’augmentation de la longueur des orifices 720b et les épaisseurs de couche limite.

[048] Figures 3 à 5, on peut supposer la cheminée pourvu d’une surface d'appui supérieure (comme 73), voire d’un rebord ou muret périphérique (à l’image de 73'), comme figure 2. Mais une réalisation simplement cylindrique est aussi possible. La hauteur axiale (suivant X3) définira alors ladite hauteur H.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Chambre de combustion de turbomachine à gaz pour aéronef, la chambre de combustion comprenant : - une cheminée (720,722) présentant un axe (X3), la cheminée formant intérieurement un logement (721) pour une bougie d'allumage (13) débouchant dans un volume intérieur (15) de la chambre de combustion, - un guide bougie (77) monté sur la cheminée de manière à être mobile transversalement par rapport à l'axe de la cheminée, la cheminée étant traversée par des orifices (720b,722b), caractérisée en ce que, parallèlement à l'axe de la cheminée, les orifices (720b,722b) traversant la cheminée (720,722) sont étagés en plusieurs rangs (74a,74b...), avec individuellement certains au moins des orifices qui ont un diamètre compris entre 0.2 et 0.6 mm.
2. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle les orifices (720b, 722b) traversant la cheminée (720, 722) sont en nombre compris entre 50 et 500.
3. 3. Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle certains au moins des orifices (720b,722b) traversant la cheminée (720,722) sont individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire (X4) à l'axe (X3) de la cheminée.
4. 4. Chambre de combustion selon la revendication 3, dans laquelle certains au moins des orifices (720b,722b), individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire (X4) à l'axe de la cheminée, s’étendent individuellement suivant une direction appartenant à un plan perpendiculaire (P4) à l'axe de la cheminée.
5. 5. Chambre de combustion selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle certains au moins des orifices (720b, 722b), individuellement inclinés par rapport à une perpendiculaire à l'axe (X3) de la cheminée, sont rectilignes.
6. 6. Chambre de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque rang (74a,74b...) est situé dans un plan (P4) perpendiculaire à l'axe de la cheminée.
7. 7. Turbomachine à gaz pour aéronef comprenant la chambre de combustion selon l’une des revendications précédentes.