FR3085743A1 - Chambre annulaire de combustion pour une turbomachine - Google Patents
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Abstract
Chambre annulaire de combustion d'une turbomachine, en particulier d'aéronef, comprenant deux parois de révolution (14, 16) coaxiales s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre et reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre, et jointes à leurs extrémités aval à des brides annulaires (20, 24) de fixation, lesdites parois de révolution étant réalisées dans un premier matériau et lesdites brides étant réalisées dans un second matériau différent dudit premier matériau, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre, dans la zone annulaire de jonction d'au moins une desdites parois à la bride correspondante, une rangée annulaire de canaux orientés parallèlement à cette paroi dans cette zone de façon à ce qu'un film de gaz pénètre dans la chambre en vue du refroidissement de cette zone de jonction.
Description
CHAMBRE ANNULAIRE DE COMBUSTION POUR UNE TURBOMACHINE
1. Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine des chambres annulaires de combustion des turbomachines, en particulier d’aéronef.
2. Etat de la technique
L’état de la technique comprend notamment les documents FR-A12 921 463 et FR-A1-2 890 156.
Une chambre de combustion de turbomachine comprend des parois de révolution coaxiales qui s'étendent l’une à l'intérieur de l’autre et qui sont reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre comportant des ouvertures de montage d'injecteurs de carburant.
En fonctionnement, une partie du débit d’air fourni par un compresseur d'alimentation de la chambre passe à travers les ouvertures de la paroi de fond de chambre et est mélangé au carburant amené par les injecteurs, ce mélange air/carburant étant ensuite brûlé à l'intérieur de la chambre.
Une autre partie de ce débit d'air contourne la chambre de combustion puis pénètre dans la chambre à travers des multiperforations formées dans les parois interne et externe de la chambre pour refroidir ces parois. La circulation d’air à travers les multiperforations de la chambre assure un refroidissement homogène de la chambre et permet d'avoir un gradient de température en direction radiale dans la chambre de combustion relativement faible.
Cependant, cette technologie n’est pas entièrement satisfaisante car la température à la périphérie interne et à la périphérie externe de la chambre reste relativement importante, en particulier aux extrémités aval des chambres où il n’y a plus de multiperforations. Les parois de la chambre sont reliées à leurs extrémités aval à des brides annulaires de fixation sur des carters interne et externe. Ces brides présentent en fonctionnement des gradients de température importants en direction radiale.
Les températures au sein des chambres de combustion ne cessent d’augmenter afin d’améliorer les performances du moteur. Dans ce contexte, la durée de vie des chambres de combustion devient de plus en plus déterminante pour garantir aux clients une intégrité des chambres et de ses performances.
Les zones de jonction des parois aux brides sont coudées et sont les plus difficiles à refroidir. Il y a plusieurs raisons à cela. Les multiperforations sont peu efficaces à cause de la vitesse du gaz de refroidissement pénétrant dans la chambre, qui n’est pas suffisante pour refroidir ces zones. Les dernières rangées aval de multiperforations sont placées loin de ces zones, car les techniques actuelles de perçage ne peuvent dépasser une épaisseur limite rencontrée dans les brides.
Par ailleurs, les brides peuvent être réalisées dans un matériau différent de celui des parois de la chambre et être alors soudées à ces parois.
Le problème technique principal est de proposer une amélioration de la thermique des zones de jonction des brides aux parois de la chambre, afin d’augmenter la durée de vie de la chambre de combustion.
Objectif de l’invention
La présente invention a notamment pour objectif d’apporter une solution au problème évoqué ci-dessus, et notamment de refroidir les zones de jonction des brides aux parois de la chambre, afin de diminuer les contraintes thermiques résultantes et le risque de fluage.
3. Exposé de l’invention
On parvient à cet objectif conformément à l’invention grâce à une chambre annulaire de combustion d’une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant deux parois de révolution ayant un même axe et s'étendant l’une à l’intérieur de l'autre, ces deux parois de révolution étant reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire de fond de chambre, et à leurs extrémités aval à des brides annulaires de fixation, lesdites brides étant rapportées et fixées aux extrémités aval desdites parois de révolution, caractérisé en ce qu’elle comporte en outre, dans la zone annulaire de jonction d’au moins une desdites parois de révolution à la bride correspondante, une succession annulaire de canaux qui sont chacun orientés dans une direction parallèle à cette paroi dans cette zone, dans un plan passant par ledit axe et le canal considéré, de façon à ce qu’un film de gaz pénètre dans la chambre en vue du refroidissement de cette zone de jonction.
Dans la présente demande, on entend par zone de jonction, une zone de liaison physique ou une zone de coopération, par appui libre, flottant ou forcée, entre deux pièces.
L’invention concerne le cas où les brides sont réalisées indépendamment des parois de la chambre et sont jointes à ces parois. La solution proposée pour refroidir les zones de jonction est l’ajout de canaux de passage de gaz de refroidissement. Des gaz de contournement de la chambre peuvent ainsi pénétrer dans la chambre et, du fait de l’orientation des canaux, former un film de gaz qui s’écoule sur les extrémités aval de la chambre, à l’intérieur de celle-ci.
La chambre selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- lesdites parois de révolution sont réalisées dans un premier matériau et lesdites brides sont réalisées dans un second matériau différent dudit premier matériau,
- chacune desdites brides a en section axiale, par rapport audit axe desdites parois de révolution, une forme générale en L et comprend une première branche annulaire s’étendant sensiblement parallèlement à une partie d’extrémité de la paroi correspondante à laquelle elle est jointe, et une seconde branche annulaire s’étendant sensiblement radialement par rapport à un axe de révolution de la chambre,
- la première branche de chacune desdites brides est jointe à ladite partie d’extrémité par un simple appui ou par soudage, la première branche et la partie d’extrémité définissant une surface de jonction sensiblement parallèle à cette partie d’extrémité,
- lesdits canaux s’étendent dans ladite surface de jonction,
- lesdits canaux sont formés dans une face radialement interne de jonction de ladite première branche et/ou dans une face radialement externe de jonction de ladite partie d’extrémité.
- ladite partie d’extrémité comprend des multiperforations, qui sont de préférence inclinées par rapport à cette partie d’extrémité,
- la première branche a en section axiale une forme étagée et comprend une première portion de diamètre Dl qui s'étend dans le prolongement de ladite partie d'extrémité et dont l'extrémité amont est soudée à l’extrémité aval de cette partie d’extrémité, et une seconde portion de diamètre D2 supérieur à Dl. qui s'étend au moins en partie autour de la première portion et qui relie cette première portion à ladite seconde branche, lesdits canaux s’étendant entre les première et seconde portions et sensiblement parallèlement à ce lies-ci, ~ lesdits canaux sont configurés pour que 1e flux de gaz de refroidissement pénètre dans la chambre et s’écoule le long de ladite première branche.
L’invention concerne également une turbomachine comprenant une chambre de combustion telle que décrite ci-dessus.
4. Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
La figure 1 est une demi vue schématique en coupe axiale d’une chambre de combustion d’une turbomachine d’aéronef,
La figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle d’une zone de jonction entre une extrémité aval d’une paroi de la chambre et une bride de fixation de cette chambre.
La figure 3 est une vue de détail à encore plus grande échelle de la zone de jonction de la figure 2.
La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2 et illustre une variante de réalisation de l’invention.
La figure 5 est une vue schématique en coupe selon la ligne 5-5 de la figure 4.
5. Description de modes de réalisation de l’invention
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une chambre annulaire de combustion 10 d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, qui est agencée en aval d'un compresseur et d'un diffuseur (non représentés), et en amont d'un distributeur 12 d'entrée d’une turbine haute-pression.
La chambre de combustion 10 comprend des parois de révolution interne 14 et externe 16 qui s’étendent l’une à l’intérieur de l’autre et qui sont reliées en amont à une paroi annulaire 18 de fond de chambre. La paroi externe 16 de la chambre est reliée à son extrémité aval à une bride annulaire externe 20 qui est fixée à sa périphérie externe sur un carter externe 22, et sa paroi interne 14 est reliée à son extrémité aval à une bride annulaire interne 24 qui est fixée à sa périphérie interne sur un carter interne 26 de la chambre.
La paroi annulaire 18 de fond de chambre comporte des ouvertures 28 à travers lesquelles passe de l'air provenant du compresseur et du carburant amené par des injecteurs fixés sur le carter externe 22. Chaque injecteur comprend une tête 30 d'injection de carburant montée dans une ouverture 28 de la paroi annulaire 18 et alignée sur l'axe 32 de cette ouverture 28.
Le distributeur 12 est fixé en aval de la chambre par des moyens appropriés et comprend des viroles interne 60 et externe 62 qui s'étendent l'une à l'intérieur de l’autre et qui sont reliées entre elles par des aubes radiales 64. La virole externe 62 du distributeur est alignée axialement avec la partie d'extrémité aval de la paroi externe 16 de la chambre, et sa virole interne 60 est alignée axialement avec la partie d'extrémité aval de la paroi interne 14 de la chambre. Les viroles 60, 62 du distributeur délimitent avec les brides 20, 24 de fixation de la chambre deux espaces annulaires 66, respectivement interne et externe, qui débouchent à une de leurs extrémités à l’intérieur de la chambre et qui sont fermés à l’autre de leurs extrémités par des moyens d'étanchéité montés entre les viroles 60, 62 et les brides 20, 24.
Une partie du débit d’air fourni par le compresseur situé en amont passe par les ouvertures 28 et alimente la chambre de combustion 10 (flèches 34), l'autre partie du débit d'air alimentant des espaces annulaires interne 36 et externe 38 de contournement de la chambre (flèches 40). L'espace interne 36 est formé entre le carter interne 26 et la paroi interne 14 de la chambre, et l'air qui passe dans cet espace se partage en un débit 42 qui pénètre dans la chambre 10 par des orifices 44 et des multiperforations (non représentées) de la paroi interne 14, et en un débit 46 qui passe à travers des trous 48 de la bride interne 24 de la chambre pour aller refroidir des composants, non représentés, situés en aval de cette chambre.
L’espace externe 38 est formé entre le carter externe 22 et la paroi externe 16 de la chambre, et l'air qui passe dans cet espace se partage en un débit 50 qui pénètre dans la chambre 10 par des orifices 44 et des multiperforations non représentées de la paroi externe 16 et en un débit 52 qui passe à travers des trous 54 de la bride externe 20 pour aller refroidir des composants en aval. L’air qui passe à travers les trous 48 et 54 des brides 20, 24 alimente par exemple des multi perforations non représentées formées dans les viroles 60, 62 du distributeur 12 pour assurer leur refroidissement.
Le débit d’air 44, 50 de refroidissement de la chambre, c’est-à-dire le débit d’air passant à travers les orifices 44 et les multiperforations des parois 14, 16 de la chambre représente environ 25 à 30% du débit d'air alimentant la chambre. Les orifices 44 et les multiperforations des parois 14, 16 de la chambre sont régulièrement répartis autour de l'axe de la chambre.
Dans le contexte de l’invention, les parois 14, 16 sont réalisées dans un premier matériau indépendamment des brides 20, 24 pour des raisons de tenues thermique et mécanique. Les brides 20, 24 sont réalisées dans un second matériau différent du premier matériau.
Dans la technique antérieure, chaque bride 20, 24 comprend une partie qui s’étend dans le prolongement de l’extrémité aval de la paroi 14, 16 correspondante, et qui est fixée à cette extrémité par soudage. Les références 68 de la figure 1 désignent les plans de liaison des brides 20, 24 aux extrémités aval des parois 14, 16, ces plans de liaison étant sensiblement perpendiculaires à ces parois dans les zones de liaison.
Les microperforations des parois 14, 16 s’étendent jusqu’en amont de ces plans de liaison 68, ce qui ne permet pas de refroidir efficacement les zones de liaison et les brides 20, 24, comme évoqué dans ce qui précède.
Les figures 2 et 3 illustrent un premier mode de réalisation de l’invention dans lequel au moins une des parois 14, 16 est jointe par son extrémité aval à la bride 20, 24 correspondante et comprend dans la zone annulaire de jonction une rangée annulaire de canaux 70 orientés parallèlement à cette paroi pour qu’un film de gaz G pénètre dans la chambre 10 en vue du refroidissement de cette zone.
Bien qu’une seule zone de jonction soit représentée, chaque parai 14, 16 peut être jointe à sa bride 20, 24 correspondante de cette façon. La description qui suit s’applique donc indifféremment à la zone de jonction de la bride 20 à la paroi 16, à la zone de jonction de la bride 24 à la paroi 14, ou à ces deux zones.
Dans l’exemple représenté, la bride 20, 24 a (ou comprend une partie ayant) en section axiale une forme générale en L et comprend une première branche annulaire 72 s’étendant sensiblement parallèlement à une partie d’extrémité 74 de la paroi 14, 16 correspondante à laquelle elle est jointe, et une seconde branche annulaire 76 s’étendant sensiblement radialement par rapport à l’axe de révolution de la chambre 10.
Comme évoqué dans ce qui précède, la bride 20, 24 est réalisée dans un premier matériau, les branches 72, 76 étant formées d’une seule pièce. La branche 76 peut comprendre une rangée annulaire d’orifices de passage de vis de fixation à un carter, comme évoqué dans ce qui précède.
La branche 72 entoure au moins en partie la partie d’extrémité aval 74 de la paroi 14, 16 pour définir entre elles une surface annulaire de jonction S. Dans des plans de coupe passant par l’axe de révolution de la chambre, cette surface S est sensiblement parallèle à la partie d’extrémité 74 et/ou à la branche 72.
La branche 72 comprend ainsi une portion amont qui recouvre la partie d’extrémité 74 et une portion aval qui définit l’extrémité aval de la chambre 10.
La zone de jonction comprend ici la branche 72 et la partie d’extrémité 74 et leur recouvrement mutuel. Les canaux 70 de passage de gaz sont formés dans cette zone et plus particulièrement au niveau de la surface S, comme cela apparaît à la figure 3.
La jonction s’entend ici par la liaison de la branche 72 à la partie d’extrémité 74 par soudage, ou la coopération de ces éléments par appui, forcée, libre ou flottant. Autrement dit, dans ces derniers cas, la branche 72 et la partie d’extrémité 74 pourraient simplement être en appui l’une sur l’autre ou bien être contraintes l’une sur l’autre, par exemple du fait d’une opération de frettage de ces éléments.
Les canaux 70 peuvent comprendre une rangée annulaire de canaux 70a formés par des encoches sur la surface radialement externe de la partie d’extrémité 74 et destinés à être fermés par la portion amont de la branche 72, et/ou une rangée annulaire de canaux 70b formés par des encoches sur la surface radialement interne de la portion amont de la branche 72 et destinés à être fermés par la partie d’extrémité 74.
Les canaux 70 sont orientés parallèlement à la partie d’extrémité 74 ou la branche 72 pour que le film de gaz G pénètre dans la chambre et s’écoule le long et sur la surface radialement interne de la portion aval de la branche 72.
La figure 3 permet de visualiser les multiperforations 78 qui sont formées dans la paroi 14, 16 jusqu’en amont et au voisinage de la zone de jonction et des canaux 70.
Les figures 4 et 5 illustrent une variante de réalisation dans laquelle la branche 72 de la bride 20, 24 a en section axiale une forme étagée et comprend une première portion 72a de diamètre D1 qui s’étend dans le prolongement de la partie d’extrémité 74 et dont l’extrémité amont 72aa est soudée à l’extrémité aval 74a de cette partie d’extrémité, et une seconde portion 72b de diamètre D2 supérieur à D1, qui s’étend au moins en partie autour de la première portion 72a et qui relie cette première portion à la seconde branche 72b.
La bride 20, 24 est réalisée dans un premier matériau, les branches 72, 76, y compris les portions 71a, 72b, étant formées d’une seule pièce. Les 5 canaux 70 s’étendent entre les première et seconde portions 72a, 72b et sont sensiblement parallèles à ces portions.
La figure 5 permet de visualiser un exemple particulier de forme en section des canaux 70. Ces canaux 70 peuvent être en section de forme circulaire, semi-circulaire, rectangulaire, carrée, trapézoïdale comme illustré, 10 etc. Bien que cela ne soit pas représenté, les canaux 70 pourraient s’étendre depuis la surface S jusqu’à l’extrémité aval de la branche 72 et donc sur la surface interne de la portion 72b.
L’objectif de cette solution est d’amener des gaz de refroidissement dans une zone critique de la chambre de combustion, à savoir ses brides de 15 fixation. Elle permet également d’augmenter et de maîtriser son refroidissement afin de limiter l’apparition de contraintes mécaniques d’origine thermique, ou l’impact des contraintes mécaniques. L’abaissement conjoint de la température et des contraintes améliorent la durée de vie de la chambre de combustion.
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Chambre annulaire (10) de combustion d’une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant deux parois de révolution (14, 16) ayant un même axe et s'étendant l'une à l'intérieur de l'autre, ces deux parois de révolution étant reliées à leurs extrémités amont par une paroi annulaire (18) de fond de chambre, et à leurs extrémités aval à des brides annulaires (20, 24) de fixation, lesdites brides étant rapportées et fixées aux extrémités aval desdites parois de révolution, caractérisé en ce qu’elle comporte en outre, dans la zone annulaire de jonction d’au moins une desdites parois de révolution à la bride correspondante, une succession annulaire de canaux (70) qui sont chacun orientés dans une direction parallèle à cette paroi dans cette zone, dans un plan passant par ledit axe et le canal considéré, de façon à ce qu’un film de gaz pénètre dans la chambre en vue du refroidissement de cette zone de jonction.
- 2. Chambre (10) selon la revendication 1, dans laquelle chacune desdites brides (20, 24) a en section axiale, par rapport audit axe desdites parois de révolution (14, 16), une forme générale en L et comprend une première branche annulaire (72) s’étendant sensiblement parallèlement à une partie d’extrémité (74) de la paroi (14,16) correspondante à laquelle elle est jointe, et une seconde branche annulaire (76) s’étendant sensiblement radialement par rapport à un axe de révolution de la chambre.
- 3. Chambre (10) selon la revendication 2, dans laquelle la première branche (72) de chacune desdites brides (20, 24) est jointe à ladite partie d’extrémité (74) par un simple appui ou par soudage, la première branche (72) et la partie d’extrémité définissant une surface de jonction (S) sensiblement parallèle à cette partie d’extrémité.
- 4. Chambre (10) selon la revendication 3, dans laquelle lesdits canaux (70) s’étendent dans ladite surface de jonction (S).
- 5. Chambre (10) selon la revendication 4, dans laquelle lesdits canaux (70) sont formés dans une face radialement interne de jonction de ladite
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2018
- 2018-09-12 FR FR1858181A patent/FR3085743B1/fr active Active
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