EP0743490A1 - Chambre de combustion comportant une multiperforation d'inclinaison axiale et tangentielle variable - Google Patents

Chambre de combustion comportant une multiperforation d'inclinaison axiale et tangentielle variable Download PDF

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EP0743490A1
EP0743490A1 EP96400863A EP96400863A EP0743490A1 EP 0743490 A1 EP0743490 A1 EP 0743490A1 EP 96400863 A EP96400863 A EP 96400863A EP 96400863 A EP96400863 A EP 96400863A EP 0743490 A1 EP0743490 A1 EP 0743490A1
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flow
axial
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Denis Roger Henri Ansart
Patrick Samuel André Ciccia
Michel André Albert Desaulty
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Safran Aircraft Engines SAS
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Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber, in particular of a turbomachine, which is delimited by at least one axial wall provided with a plurality of through orifices constituting a "multi-perforation" intended, in particular, for the passage of a refrigeration fluid from said axial wall, and provided with a plurality of dilution holes regularly distributed in a transverse plane with respect to the general direction of the flow of the burnt gases originating from the combustion, each orifice having a geometric axis inclined at an angle A by with respect to the normal to said wall, said genometric axis being arranged in a plane containing said normal which makes an angle B with respect to the plane defined by said normal and the general direction of flow of the burnt gases.
  • the cooling mode by multiperforation is known.
  • the orifices are generally arranged in staggered rows with an equidistant network of meshes.
  • These ports are supplied with cooling air from the compressor.
  • the heat exchanges involved are then, forced convection inside the orifices, conduction within the wall itself.
  • the supply of cooling air to these orifices generates, downstream of the flow, on the internal part of the wall, a protective film between the chamber wall and the burnt gases from the combustion. In order to limit the degradation of the efficiency of this film, it is ensured that the cooling air does not mix too soon with the burnt gases.
  • the orifices are inclined at an angle A relative to the normal to the internal wall, so that the cooling air comes to lick this wall to be cooled.
  • EP-A-0 486 133 discloses a wall of this type, in which the orifices are inclined in axial planes.
  • EP-A-0 492 864 further reveals that the orifices are also inclined at a tangential angle B which generally coincides with the angle of the vortex of the combustion gases along the internal surface of the wall.
  • EP-A-0 592 161 shows in FIG. 6 a multi-perforated annular wall of a combustion chamber in which the orifices are defined by an axial inclination A and a tangential angle B of in such a way that the flow of fresh air introduced into the chamber creates a ring of protective air which swirls around the flow of the burnt gases.
  • 3D calculations show that the flow of gases in the combustion chamber is not always longitudinal, but that in certain areas, it is slightly inclined, or even opposite to the flow, in particular downstream of the dilution holes. . There may be detachments from the cooling air in these areas.
  • the purpose of the present invention is to prevent the air from the multi-perforation from taking off from the wall.
  • the present invention therefore proposes to locally orient the orifices as a function of the local flow of the burnt gases.
  • the combustion chamber is characterized in that the wall is subdivided into several zones, in each of which the orifices are defined by inclinations A and angles B having respectively identical values and calculated according to the characteristics of the flow of burnt gases in each of said zones.
  • Said wall is subdivided in particular into first zones situated respectively downstream of the dilution holes, and in which the orifices are directed against the current of the general direction of the flow of the burnt gases, of the second and third zones arranged on both sides another of said first zones with respect to the axial planes passing through the corresponding dilution holes, and a fourth zone covering the rest of said wall.
  • the orifices formed in the fourth zone have an axial inclination greater than 30. Their angle B is substantially equal to 0 °. The flow of fresh air from these orifices licks the internal surface of the wall in the direction of the axial flow of the burnt gases.
  • the orifices formed in the first zones diffuse a cooling air counter-current to the general direction of flow of the burnt gases.
  • Their inclination A is between 0 ° and -60 °, and their angle B is substantially equal to 0 °.
  • each of the first zones in the circumferential direction, there is provided a second and a third zone, the orifices of which distribute cooling air towards the axial plane passing through the corresponding dilution hole and in the direction of the general flow of burnt gases.
  • the combustion chamber 1 of annular type, comprises an outer annular axial wall 2 and an inner annular axial wall 3, joined at their upstream ends by a chamber bottom 4 equipped with injection systems 5, and having between their downstream ends an annular opening 6 for the exhaust of the burnt gases G towards a turbine not shown in the drawings.
  • the burnt gases G circulate in the internal cavity 7 of the combustion chamber 1 in a general axial direction represented by the arrow D.
  • outer 2 and inner 3 axial walls define, with the outer 8 and inner 9 casings, annular passages 10 and 11 in which circulates cooling air A coming from a compressor not shown in the drawings and located upstream of the combustion chamber 1.
  • the two walls 2 and 3 are provided with a plurality of dilution holes 12 regularly distributed in an axial plane 13 perpendicular to the axis of the turbomachine, and with a plurality of through holes 14 constituting a multi-perforation.
  • Part of the cooling air A enters axially into the internal cavity 7 through the dilution holes 12 and participates in the depletion and cooling of the combustion gases in the dilution zone of the combustion chamber 1, while the rest of the air A enters the internal cavity 7 through the orifices 14 in order to form a cooling film on the internal faces 2a and 3a of the axial walls 2 and 3.
  • FIG. 2 shows the diagram of the gas velocities in the vicinity of the internal face 2a of the external wall 2, in the region of two dilution holes 12a and 12b, this diagram having been obtained by 3D calculations.
  • This diagram shows that, in the zone 15 which separates the two dilution holes 12a and 12b, the gases flow in the direction D.
  • the gases on the contrary flow towards the dilution holes 12a and 12b, that is to say in a direction generally opposite to the direction D.
  • the gases flow in a direction inclined towards the axial plane 18 passing through the corresponding dilution hole, and generally directed in the general flow direction of the burnt gases D.
  • the burnt gases circulate in the direction D.
  • the 3D temperature diagram in the vicinity of the dilution holes also shows significant differences depending on the zones.
  • the region of the wall 2 and 3 which has the orifices 14 is subdivided into several zones, in each of which, the angles of inclination A of the axes 30 of the orifices 14 relative to the normal to the wall are identical , as well as the angles B of the planes 32 containing said axes 30 and the normals 31 with respect to the axial planes 33 containing said normals.
  • FIG 3 there is shown an axial wall portion 34 having two dilution holes 12a and 12b.
  • the arrow D represents the general direction of the flow of the burnt gases in the combustion chamber 1.
  • the references 16a and 16b represent the first zones in which the burnt gases flow against the current.
  • the burnt gases flow generally in the direction of the arrows 19.
  • the gases flow in the direction of the arrows 20.
  • the orifices 14 formed in the fourth zone 21 are defined by an inclination A 4 greater than 30 ° and an angle B substantially equal to 0 °.
  • the cooling air diffused by these orifices 14 enters the combustion chamber 1, in the general flow direction D of the gases, but with an inclination A 4 .
  • the orifices 14 formed in the first zone 16a are inclined so as to allow a diffusion of cooling air against the current of the general direction D.
  • the axes 30 of these orifices 14 form an angle A 1 with the normals 31 which is between -60 ° and 0 °.
  • the axes 30 of these orifices 14 are also parallel to the axial plane 18a passing through the axis 35 of the dilution hole 12a.
  • FIG 5 there is shown a small part 36 of the outer wall 2 at a third area 19b.
  • the orifices are drilled at an inclination A 3 relative to the normal 31 and in a plane making an angle B 3 with respect to the direction of the main flow D.
  • the angle B 3 is calculated in function of the average direction of local gas flow in the third zone 19b.

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Abstract

La présente invention concerne une chambre de combustion, notamment pour turbomachine, qui est délimitée par une paroi axiale multiperforée. Les orientations des orifices sont adaptées en fonction de l'écoulement local des gaz, notamment au voisinage des trous de dilution (12a, 12b). La paroi (34) est subdivisée en des premières zones (16a, 16b) dans lesquelles les orifices sont dirigés à contre-courant de la direction générale (D) des gaz brûlés, des deuxièmes (17a, 17b) et troisièmes zones (19a, 19b) disposées de part et d'autre des premières zones, dans lesquelles les orifices ont une inclinaison axiale et une inclinaison tangentielle, et une quatrième zone (21) dans laquelle les orifices sont inclinées axialement dans le sens de l'écoulement général (D) des gaz brûlés. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne une chambre de combustion, notamment de turbomachine, qui est délimitée par au moins une paroi axiale munie d'une pluralité d'orifices traversant constituant une "multiperforation" destinée, notamment, au passage d'un fluide de réfrigération de ladite paroi axiale, et munie d'une pluralité de trous de dilution régulièrement répartis dans un plan transversal par rapport à la direction générale de l'écoulement des gaz brûlés provenant de la combustion, chaque orifice ayant un axe géométrique incliné d'un angle A par rapport à la normale à ladite paroi, ledit axe génmétrique étant disposé dans un plan contenant ladite normale qui fait un angle B par rapport au plan défini par ladite normale et la direction générale d'écoulement des gaz brûlés.
  • Le mode de refroidissement par multiperforation est connu. Les orifices sont généralement disposés en quinconce avec un réseau de mailles équidistantes.
  • Ces orifices sont alimentés par de l'air de refroidissement issu du compresseur. Les échanges de chaleur mises en jeu sont alors, la convection forcée à l'intérieur des orifices, la conduction au sein même de la paroi. L'alimentation en air de refroidissement de ces orifices génère, en aval de l'écoulement, sur la partie interne de la paroi, un film protecteur entre la paroi de chambre et les gaz brûlés provenant de la combustion. Afin de limiter la dégradation de l'efficacité de ce film, on fait en sorte que l'air de refroidissement ne se mélange pas trop tôt aux gaz brûlés. Pour cela les orifices sont inclinés d'un angle A par rapport à la normale à la paroi interne, de sorte que l'air de refroidissement vienne lécher cette paroi à refroidir.
  • EP-A-0 486 133 dévoile une paroi de ce type, dans lequel les orifices sont inclinés dans des plans axiaux.
  • EP-A-0 492 864 révèle, en outre, que les orifices sont également inclinés d'un angle tangentiel B qui coïncide globalement avec l'angle du tourbillon des gaz de combustion le long de la surface interne de la paroi.
  • EP-A-0 592 161 montre en figure 6 une paroi annulaire multiperforée d'une chambre de combustion dans laquelle les orifices sont définis par une inclinaison axiale A et un angle tangentiel B de telle manière que le flux d'air frais introduit dans la chambre crée une couronne d'air protecteur qui tourbillonne autour du flux des gaz brûlés.
  • Dans tous les documents précédents, les inclinaisons A et les angles B qui définissent la direction des axes de chaque orifice par rapport à la direction générale d'écoulement des gaz brûlés, sont respectivement égaux à des valeurs déterminées.
  • Or, les calculs 3D montrent que l'écoulement des gaz dans la chambre de combustion n'est pas toujours longitudinal, mais que dans certaines zones, il est légèrement incliné, voire même opposé à l'écoulement, notamment en aval des trous de dilution. Il peut se produire des décollements de l'air de refroidissement dans ces zones.
  • Le but de la présente invention est d'éviter que l'air issu de la multiperforation ne décolle de la paroi.
  • La présente invention propose donc d'orienter localement les orifices en fonction de l'écoulement local des gaz brûlés.
  • Selon l'invention, la chambre de combustion est caractérisée par le fait que la paroi est subdivisée en plusieurs zones, dans chacune desquelles les orifices sont définis par des inclinaisons A et des angles B ayant respectivement des valeurs identiques et calculées en fonction des caractéristiques de l'écoulement des gaz brûlés dans chacune desdites zones.
  • Ladite paroi est subdivisée notamment en des premières zones situées respectivement en aval des trous de dilution, et dans lesquelles les orifices sont dirigés à contre courant de la direction générale de l'écoulement des gaz brûlés, des deuxièmes et troisièmes zones disposées de part et d'autre desdites premières zones par rapport aux plans axiaux passant par les trous de dilution correspondants, et une quatrième zone recouvrant le reste de ladite paroi.
  • Les orifices ménagés dans la quatrième zone ont une inclinaison axiale supérieure à 30. Leur angle B est sensiblement égal à 0°. L'écoulement d'air frais issu de ces orifices vient lécher la surface interne de la paroi dans le sens de l'écoulement axial des gaz brûlés.
  • Les orifices ménagés dans les premières zones, c'est-à-dire en aval des trous de dilution, diffusent un air de refroidissement à contre-courant de la direction générale d'écoulement des gaz brûlés. Leur inclinaison A est comprise entre 0° et -60°, et leur angle B est sensiblement égal à 0°.
  • De part et d'autre de chacune des premières zones, dans le sens circonférentiel, il est prévu une deuxième et une troisième zones, dont les orifices diffusent un air de refroidissement vers le plan axial passant par le trou de dilution correspondant et dans la direction de l'écoulement général des gaz brûlés.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • La figure 1 montre en coupe une chambre de combustion annulaire d'une turbomachine ;
    • 2 la figure 2 est une représentation 3D de l'écoulement des gaz brûlés au voisinage de deux trous de dilution ;
    • la figure 3 montre la subdivision de la paroi multiperforée en plusieurs zones homogènes ;
    • la figure 4 est une coupe axiale à grande échelle de la paroi multiperforée selon un plan axial passant par l'axe d'un trou de dilution ;
    • la figure 5 est une représentation en perspective d'une portion de paroi dans laquelle les orifices de la multiperforation ont une inclinaison axiale et tangentielle.
  • La chambre de combustion 1, de type annulaire, comporte une paroi axiale annulaire extérieure 2 et une paroi axiale annulaire intérieure 3, réunies à leurs extrémités amont par un fond de chambre 4 équipé de systèmes d'injection 5, et présentant entre leurs extrémités aval une ouverture annulaire 6 pour l'échappement des gaz brûlés G vers une turbine non représentée sur les dessins. Les gaz brûlés G circulent dans la cavité interne 7 de la chambre de combustion 1 selon une direction générale axiale représentée par la flèche D.
  • Les parois axiales extérieure 2 et intérieure 3 délimitent avec les carters extérieur 8 et intérieur 9 des passages annulaires 10 et 11 dans lesquels circule un air de refroidissement A issu d'un compresseur non représenté sur les dessins et situé en amont de la chambre de combustion 1.
  • Les deux parois 2 et 3 sont munis d'une pluralité- de trous de dilution 12 régulièrement répartis dans un plan axial 13 perpendiculaire à l'axe de la turbomachine, et d'une pluralité d'orifices traversants 14 constituant une multiperforation.
  • Une partie de l'air de refroidissement A pénètre axialement dans la cavité interne 7 par les trous de dilution 12 et participe à l'appauvrissement et au refroidissement des gaz de combustion dans la zone de dilution de la chambre de combustion 1, tandis que le reste de l'air A pénètre dans la cavité interne 7 par les orifices 14 afin de former un film de refroidissement sur des faces internes 2a et 3a des parois axiales 2 et 3.
  • La figure 2 montre le diagramme des vitesses des gaz au voisinage de la face interne 2a de la paroi extérieure 2, dans la région de deux trous de dilution 12a et 12b, ce diagramme ayant été obtenu par des calculs 3D.
  • Ce diagramme montre que, dans la zone 15 qui sépare les deux trous de dilution 12a et 12b, les gaz s'écoulent dans la direction D.
  • Dans les zones 16 situées immédiatement en aval des trous de dilution 12a et 12b, les gaz circulent au contraire vers les trous de dilution 12a et 12b, c'est-à-dire dans une direction globalement opposée à la direction D.
  • De part et d'autre de chaque zone 16, les gaz s'écoulent selon une direction inclinée vers le plan axial 18 passant par le trou de dilution correspondant, et globalement dirigée dans le sens de l'écoulement général des gaz brûlés D.
  • En amont des trous de dilution 12a et 12b et dans la région éloignée des trous de dilution 12a et 12b, les gaz brûlés circulent selon la direction D.
  • Le diagramme 3D des températures au voisinage des trous de dilution montre également des écarts notables en fonction des zones.
  • Selon la présente invention, on subdivise la région de la paroi 2 et 3 qui comporte les orifices 14 en plusieurs zones, dans chacune desquelles, les angles d'inclinaison A des axes 30 des orifices 14 par rapport aux normales 31 à la paroi sont identiques, ainsi que les angles B des plans 32 contenant lesdits axes 30 et les normales 31 par rapport aux plans axiaux 33 contenant lesdites normales.
  • Sur la figure 3, on a représenté une portion de paroi axiale 34 comportant deux trous de dilution 12a et 12b. La flèche D représente la direction générale de l'écoulement des gaz brûlés dans la chambre de combustion 1.
  • Les références 16a et 16b représentent des premières zones dans lesquelles les gaz brûlés s'écoulent à contre-courant. Dans les deuxièmes zones 17a et 17b situées à gauche des plans axiaux 18a et 18b, les gaz brûlés s'écoulent dans l'ensemble selon la direction des flèches 19. Dans les troisièmes zones 19a et 19b situées à droite des plan axiaux 18a et 18b, les gaz s'écoulent dans le sens des flèches 20.
  • Dans la quatrième zone 21 située en dehors des zones 16a, 16b, 17a, 17b, 19a et 19b, les gaz s'écoulent globalement dans le sens de la flèche D.
  • Comme on le voit sur la figure 4, les orifices 14 ménagés dans la quatrième zone 21 sont définis par une inclinaison A4 supérieure à 30° et un angle B sensiblement égal à 0°. L'air de refroidissement diffusé par ces orifices 14 pénètre dans la chambre de combustion 1, dans le sens de l'écoulement général D des gaz, mais avec une inclinaison A4.
  • Les orifices 14 ménagés dans la première zone 16a sont inclinés de manière à permettre une diffusion d'un air de refroidissement à contre-courant de la direction générale D. Les axes 30 de ces orifices 14 font un angle A1 avec les normales 31 qui est compris entre -60° et 0°. Les axes 30 de ces orifices 14 sont également parallèles au plan axial 18a passant par l'axe 35 du trou de dilution 12a.
  • Sur la figure 5, on a représenté une petite partie 36 de la paroi extérieure 2 au niveau d'une troisième zone 19b. Dans cette troisième zone 19b, les orifices sont percés selon une inclinaison A3 par rapport à la normale 31 et dans un plan faisant un angle B3 par rapport à la direction de l'écoulement principal D. L'angle B3 est calculé en fonction de la direction moyenne de l'écoulement local des gaz dans la troisième zone 19b.

Claims (7)

  1. Chambre de combustion, notamment de turbomachine, qui est délimitée par au moins une paroi axiale (2, 3) munie d'une pluralité d'orifices (14) traversant constituant une "multiperforation" destinée, notamment, au passage d'un fluide de réfrigération (A) de ladite paroi axiale (2, 3), et munie d'une pluralité de trous de dilution (12) régulièrement répartis dans un plan transversal (13) par rapport à la direction générale (D) de l'écoulement des gaz brûlés (G) provenant de la combustion, chaque orifice (14) ayant un axe géométrique (30) incliné d'un angle A par rapport à la normale (31) à ladite paroi (2, 3) ledit axe géométrique (30) étant disposé dans un plan (32) contenant ladite normale (31) qui fait un angle B par rapport au plan (33) défini par ladite normale et la direction générale (D) d'écoulement des gaz brûlés,
    caractérisée par le fait que la paroi (2, 3) est subdivisée en plusieurs zones (16a, 16b, 17a, 17b, 19a, 19b, 21), dans chacune desquelles les orifices (14) sont définis par des inclinaisons A et des angles B ayant respectivement des valeurs identiques et calculées en fonction de l'écoulement local des gaz brûlés (6) dans chacune desdites zones.
  2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite paroi (2, 3) est subdivisée en des premières zones (16a, 16b) situées respectivement en aval des trous de dilution (12a, 12b) et dans lesquelles les orifices (14) sont dirigés à contre-courant de la direction générale (D) de l'écoulement des gaz brûlés (G), des deuxièmes (17a, 17b) et troisièmes zones disposées de part et d'autre desdites premières zones (16a, 16b) par rapport aux plan axiaux (18a, 18b) passant par les trous de dilution (12a, 12b) correspondants, et une quatrième zone (21) recouvrant le reste de ladite paroi (2, 3).
  3. Chambre selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les orifices (14) ménagés dans la quatrième zone (21) sont définis par une inclinaison A supérieure à 30°.
  4. Chambre selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les orifices (14) ménagés dans la quatrième zone (21) sont définis par un angle B sensiblement égal à 0°.
  5. Chambre selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les orifices (14) ménagés dans les premières zones (16a, 16b) sont définis par une inclinaison A comprise entre 0° et -60°.
  6. Chambre selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les orifices (14) ménagés dans les premières zones (16a, 16b) sont définis par un angle B sensiblement égal à 0°.
  7. Chambre selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les orifices (14) ménagés dans les deuxièmes zones (17a, 17b) sont définis par des angles B ayant des valeurs opposées aux angles B définissant les orifices (14) ménagés dans les troisièmes zones (19a, 19b).
EP96400863A 1995-04-26 1996-04-24 Chambre de combustion comportant une multiperforation d'inclinaison axiale et tangentielle variable Expired - Lifetime EP0743490B1 (fr)

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EP0743490A1 true EP0743490A1 (fr) 1996-11-20
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FR (1) FR2733582B1 (fr)

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