EP1593913A1 - Chambre de combustion annulaire de turbomachine à bride interne de fixation améliorée - Google Patents

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EP1593913A1
EP1593913A1 EP05290623A EP05290623A EP1593913A1 EP 1593913 A1 EP1593913 A1 EP 1593913A1 EP 05290623 A EP05290623 A EP 05290623A EP 05290623 A EP05290623 A EP 05290623A EP 1593913 A1 EP1593913 A1 EP 1593913A1
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EP
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chamber
turbomachine
holes
combustion chamber
flange
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Martine Bes
Didier Hernandez
Gilles Lepretre
Denis Trahot
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Safran Aircraft Engines SAS
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    • 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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • 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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/60—Support structures; Attaching or mounting means

Definitions

  • the present invention relates to the general field of turbomachine combustion chambers. She is interested more particularly the problem of fixing a chamber of turbomachine annular combustion on the casing of the turbomachine.
  • the annular combustion chamber of a turbomachine is formed of inner and outer annular walls connected by a transverse wall forming chamber bottom.
  • the bedroom floor is provided with a plurality of openings in which are mounted fuel injectors.
  • the inner and outer walls of the combustion chamber usually extend by flanges internal and external, also annular, which are intended to be fixed respectively on inner and outer casings of the casing of the turbine engine. These flanges serve to maintain the position combustion chamber in the casing of the turbomachine.
  • Air from a compressor stage of the turbomachine arranged upstream of the combustion chamber circulates between the housing casings and the annular walls of the chamber. This air, which is introduced into the chamber including holes practiced through the walls of the chamber, participates in the combustion air / fuel mixture.
  • Part of this air is also intended to feed a cooling circuit of the high-pressure turbine of the turbomachine which is disposed downstream of the combustion chamber.
  • the internal fixing flange of the chamber of combustion is typically pierced with a plurality of holes that allow the passage of compressor air to a circuit of cooling of the high-pressure turbine. These holes are usually regularly distributed in a row across the entire circumference of the internal flange.
  • the inner casing of the turbomachine casing is also pierced with a plurality of orifices which open into the defined annular space between the inner casing and the internal fixing flange of the chamber and which lead to the cooling circuit of the high-pressure turbine.
  • the combustion frequencies of the mixture air / fuel in the chamber cause vibrations in the walls of the chamber that spread to the clamps.
  • the clamps must therefore be flexible enough to cushion these vibrations, but also rigid enough to play their role of holding the combustion chamber in position in the housing.
  • the present invention therefore aims to overcome such drawbacks by offering a combustion chamber that has a better mechanical resistance to vibrations generated by the combustion of air / fuel mixture.
  • an annular combustion chamber is provided turbomachine, having inner and outer annular walls joined by a transverse wall, the inner and outer walls are extending at their downstream end by internal fixing flanges and externally intended to be fixed respectively on internal envelopes and external of a casing of the turbomachine for the maintenance in position of the combustion chamber, the inner flange being provided with a plurality of holes for supplying cooling air to a high-pressure turbine of the turbomachine, characterized in that the holes of air supply of the inner flange are distributed circumferentially in at least two rows arranged in staggered rows.
  • the holes air supply of the inner flange are radially offset by compared to air supply holes made through the internal wall.
  • the air supply holes of the inner flange are radially offset by relative to orifices made on the inner casing of the casing.
  • this radial offset prevents any direct radiation of the combustion gases from the chamber to the cooling circuit of the high-pressure turbine.
  • the present invention also relates to an internal flange intended for holding in position a combustion chamber such as previously defined.
  • FIG. 1 illustrates a turbomachine combustion chamber according to the invention.
  • the turbomachine has a compression section (no shown) in which air is compressed before being injected into a chamber housing 2, then into a combustion chamber 4 mounted inside of it.
  • the compressed air is introduced into the combustion chamber and mixed with fuel before burning.
  • the gases resulting from this combustion are then directed to a high-pressure turbine 6 arranged at the outlet of the combustion chamber 4.
  • the combustion chamber 4 which is of annular type, is formed of an inner annular wall 4a and an outer annular wall 4b which are joined by a transverse wall 4c forming a bottom of bedroom.
  • the inner walls 4a and outer 4b extend along an axis longitudinal X-X slightly inclined relative to the longitudinal axis Y-Y of the turbomachine.
  • the chamber bottom 4c is provided with a plurality openings 8 in which are mounted fuel injectors 10.
  • the chamber case 2 which is formed of an inner envelope 2a and an outer shell 2b, clean with the chamber of combustion 4 an annular space 12 in which compressed air is admitted intended for combustion, dilution and cooling of the chamber.
  • Chamber 4 is divided into a primary zone (or combustion zone) and a secondary zone (or dilution zone) located downstream from the previous one.
  • the air that feeds the primary and secondary areas of the combustion chamber 4 is introduced by one or more rows of holes 14, 16 made respectively in the inner walls 4a and external 4b of the room.
  • the inner walls 4a and outer 4b of the chamber 4 are extend at their downstream end respectively by flanges (or annular tabs 18 and outer 20.
  • the compressed air circulating in the annular space 12 is also intended to feed a cooling circuit of the high-pressure turbine 6 of the turbomachine.
  • the internal flange 18 for holding the chamber of combustion 4 is provided with air supply holes 26. These holes 26 allow the circulation of air in the annular space 12 downstream of the internal flange 18.
  • the inner casing 2a of the chamber casing 2 is pierced by air supply ports 28, for example distributed over single row, which open into the annular space 12 downstream of the internal flange 18 and open out of the chamber housing 2, to an air injector 30.
  • This air injector 30 is intended to cool the turbine high pressure 6 of the turbomachine.
  • the air supply holes 26 of the flange internal 18 are distributed circumferentially on at least two rows 26a, 26b arranged in staggered rows.
  • FIGS. 3 This distribution is shown in particular in FIGS. 3.
  • the two rows 26a, 26b of feed holes in air of the inner flange 18 are arranged in staggered rows.
  • staggered rows it is meant that the holes of one of the rows 26a, 26b are not aligned with the holes of the other row along the longitudinal axis X-X of the combustion chamber 4.
  • the air supply holes 26 of the combustion chamber have a circular section. It is however possible to consider another form of section, for example oblong.
  • the holes 26 of the flange internal 18 are distributed in two rows in staggered rows, their section individual can be reduced compared to a classical provision in single row to keep the same overall airflow supplying the air injector 30.
  • the distance separating two holes adjacent areas is increased, further reducing the potential risks of break the internal flange at this point.
  • the air supply holes 26 of the internal flange 18 are offset radially from the air supply bores 14 of the inner wall 4a of the combustion chamber 4.
  • the air supply holes 26 of the internal flange 18 are offset radially relative to the orifices 28 of the inner casing 2a of the chamber casing 2.

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Abstract

Chambre de combustion annulaire de turbomachine, comportant des parois annulaires interne (4a) et externe réunies par une paroi transversale, les parois interne et externe se prolongeant à leur extrémité aval par des brides de fixation interne (18) et externe destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne (2a) et externe d'un carter de la turbomachine pour le maintien en position de la chambre de combustion, la bride interne (18) étant munie d'une pluralité de trous destinés à alimenter en air de refroidissement une turbine haute-pression de la turbomachine, les trous d'alimentation en air de la bride interne (18) étant répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées (26a, 26b) disposées en quinconce. <IMAGE>

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion de turbomachine. Elle s'intéresse plus particulièrement au problème posé par la fixation d'une chambre de combustion annulaire de turbomachine sur le carter de la turbomachine.
Classiquement, la chambre de combustion annulaire d'une turbomachine est formée de parois annulaires interne et externe reliées par une paroi transversale formant fond de chambre. Le fond de chambre est pourvu d'une pluralité d'ouvertures dans lequel sont montés des injecteurs de carburant.
A leur extrémité aval, les parois interne et externe de la chambre de combustion se prolongent généralement par des brides interne et externe, également annulaires, qui sont destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne et externe du carter de la turbomachine. Ces brides ont pour fonction de maintenir en position la chambre de combustion dans le carter de la turbomachine.
De l'air provenant d'un étage de compresseur de la turbomachine disposé en amont de la chambre de combustion circule entre les enveloppes du carter et les parois annulaires de la chambre. Cet air, qui est introduit dans la chambre notamment par des perçages pratiqués au travers des parois de la chambre, participe à la combustion du mélange air/carburant.
Une partie de cet air est par ailleurs destiné à alimenter un circuit de refroidissement de la turbine haute-pression de la turbomachine qui est disposée en aval de la chambre de combustion.
Dans ce but, la bride interne de fixation de la chambre de combustion est typiquement percée d'une pluralité de trous qui permettent le passage de l'air de compresseur vers un circuit de refroidissement de la turbine haute-pression. Ces trous sont généralement régulièrement répartis sur une rangée sur toute la circonférence de la bride interne.
L'enveloppe interne du carter de la turbomachine est également percée d'une pluralité d'orifices qui s'ouvrent dans l'espace annulaire défini entre l'enveloppe interne et la bride interne de fixation de la chambre et qui débouchent vers le circuit de refroidissement de la turbine haute-pression.
Le perçage de trous d'alimentation en air sur la bride interne de fixation de la chambre de combustion pose des problèmes de résistance mécanique aux vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant dans la chambre.
En effet, les fréquences de combustion du mélange air/carburant dans la chambre provoquent des vibrations au niveau des parois de la chambre qui se propagent jusqu'aux brides de fixation. Les brides de fixation doivent donc être suffisamment souples pour amortir ces vibrations, mais aussi suffisamment rigides pour jouer leur rôle de maintien en position de la chambre de combustion dans le carter.
Or, la présence de trous sur la bride interne de fixation fragilise la résistance mécanique de la bride aux vibrations. Les vibrations au niveau des parois de la chambre, associées à une répartition régulière de des trous de la bride interne, provoquent un phénomène de résonance vibratoire qui entraíne un risque de cassure de la bride interne, notamment entre deux trous adjacents.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant une chambre de combustion qui possède une meilleure tenue mécanique aux vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant.
A cet effet, il est prévu une chambre de combustion annulaire de turbomachine, comportant des parois annulaires interne et externe réunies par une paroi transversale, les parois interne et externe se prolongeant à leur extrémité aval par des brides de fixation interne et externe destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne et externe d'un carter de la turbomachine pour le maintien en position de la chambre de combustion, la bride interne étant munie d'une pluralité de trous destinés à alimenter en air de refroidissement une turbine haute-pression de la turbomachine, caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air de la bride interne sont répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées disposées en quinconce.
La répartition particulière des trous de la bride interne sur au moins deux rangées disposées en quinconce a pour effet de « casser » l'harmonique des vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant. Cette répartition permet ainsi d'éviter toute résonance vibratoire, et donc de limiter les risques de cassure de la bride interne de fixation de la chambre.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les trous d'alimentation en air de la bride interne sont décalés radialement par rapport à des perçages d'alimentation en air pratiqués au travers de la paroi interne.
Le décalage radial entre les trous de la bride interne et les perçages de la paroi interne de la chambre de combustion permet ainsi d'éviter un rayonnement direct des gaz de combustion vers l'enveloppe interne du carter, rayonnement qui est particulièrement préjudiciable à la durée de vie de celle-ci.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les trous d'alimentation en air de la bride interne sont décalés radialement par rapport à des orifices pratiqués sur l'enveloppe interne du carter.
Pour la même raison que précédemment, ce décalage radial permet d'éviter tout rayonnement direct des gaz de combustion depuis la chambre vers le circuit de refroidissement de la turbine haute-pression.
La présente invention a également pour objet une bride interne destinée au maintien en position d'une chambre de combustion telle que définie précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 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 dans son environnement selon un mode de réalisation de l'invention ;
  • la figure 2 est une vue partielle en perspective et en écorché de la figure 1 ; et
  • la figure 3 est une vue en développé montrant la répartition des trous de la bride interne de la chambre de combustion selon l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 1 illustre une chambre de combustion de turbomachine conforme à l'invention.
La turbomachine comporte une section de compression (non représentée) dans laquelle de l'air est comprimé avant d'être injecté dans un carter de chambre 2, puis dans une chambre de combustion 4 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 6 disposée en sortie de la chambre de combustion 4.
La chambre de combustion 4, qui est de type annulaire, est formée d'une paroi annulaire interne 4a et d'une paroi annulaire externe 4b qui sont réunies par une paroi transversale 4c formant fond de chambre.
Les parois interne 4a et externe 4b s'étendent selon un axe longitudinal X-X légèrement incliné par rapport à l'axe longitudinal Y-Y de la turbomachine. Le fond de chambre 4c est pourvu d'une pluralité d'ouvertures 8 dans lequel sont montés des injecteurs de carburant 10.
Le carter de chambre 2, qui est formé d'une enveloppe interne 2a et d'une enveloppe externe 2b, ménage avec la chambre de combustion 4 un espace annulaire 12 dans lequel est admis l'air comprimé destiné à la combustion, à la dilution et au refroidissement de la chambre. La chambre 4 se divise en une zone primaire (ou zone de combustion) et une zone secondaire (ou zone de dilution) située en aval de la précédente.
L'air qui alimente les zones primaire et secondaire de la chambre de combustion 4 est introduit par une ou plusieurs rangées de perçages 14, 16 pratiqués respectivement dans les parois interne 4a et externe 4b de la chambre.
Les parois interne 4a et externe 4b de la chambre 4 se prolongent, à leur extrémité aval, respectivement par des brides (ou languettes) annulaires interne 18 et externe 20.
Ces brides interne 18 et externe 20 sont destinés à être fixées respectivement sur les enveloppes interne 2a et externe 2b du carter de chambre 2 par l'intermédiaire de liaisons boulonnées respectives 22, 24. Elles ont pour fonction de maintenir en position la chambre de combustion 4 dans le carter de chambre 2.
L'air comprimé circulant dans l'espace annulaire 12 est également destiné à un alimenter un circuit de refroidissement de la turbine haute-pression 6 de la turbomachine.
A cet effet, la bride interne 18 de maintien de la chambre de combustion 4 est munie de trous d'alimentation en air 26. Ces trous 26 permettent la circulation de l'air dans l'espace annulaire 12 en aval de la bride interne 18.
De même, l'enveloppe interne 2a du carter de chambre 2 est percée par des orifices d'alimentation en air 28, par exemple répartis sur une seule rangée, qui s'ouvrent dans l'espace annulaire 12 en aval de la bride interne 18 et débouchent à l'extérieur du carter de chambre 2, vers un injecteur d'air 30. Cet injecteur d'air 30 est destiné à refroidir la turbine haute-pression 6 de la turbomachine.
Selon l'invention, les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 sont répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées 26a, 26b disposées en quinconce.
Cette répartition est notamment représentée sur les figures 2 et 3. Sur cette figure, les deux rangées 26a, 26b de trous d'alimentation en air de la bride interne 18 sont bien disposées en quinconce.
Par rangées disposées en quinconce, on entend que les trous de l'une des rangées 26a, 26b ne sont pas alignés avec les trous de l'autre rangée selon l'axe longitudinal X-X de la chambre de combustion 4.
Une telle disposition des trous selon deux rangées disposées en quinconce permet de « casser » l'harmonique des vibrations engendrées par la combustion du mélange air/carburant dans la chambre, et ainsi d'éviter que la bride interne ne se casse sous l'effet de ses vibrations.
Sur les figures 2 et 3, les trous d'alimentation en air 26 de la chambre de combustion ont une section circulaire. Il est toutefois possible d'envisager une autre forme de section, par exemple oblong.
On notera également que comme les trous 26 de la bride interne 18 sont répartis sur deux rangées en quinconce, leur section individuelle peut être réduite par rapport à une disposition classique en une seule rangée de façon à garder le même débit d'air général alimentant l'injecteur d'air 30. Ainsi, la distance séparant deux trous adjacents est augmentée, ce qui réduit encore les risques possibles de cassure de la bride interne à cet endroit.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention illustrée sur la figure 3, les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 sont décalés radialement par rapport aux perçages d'alimentation en air 14 de la paroi interne 4a de la chambre de combustion 4.
Comme les trous 26 de la bride interne 18 ne sont pas alignés avec les perçages 14 de la paroi interne 4a, il est ainsi possible d'éviter que les gaz issus de la combustion du mélange air/carburant dans la chambre 4 ne rayonnent directement vers l'enveloppe interne 2a du carter de chambre 2 avec le risque de l'endommager.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention également illustrée sur la figure 3, les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 sont décalés radialement par rapport aux orifices 28 de l'enveloppe interne 2a du carter de chambre 2.
Ainsi, il est également possible d'éviter un rayonnement direct des gaz de combustion depuis la chambre de combustion 4 vers l'injecteur d'air 30 qui est destiné à assurer le refroidissement de la turbine haute-pression 6. De la sorte, l'efficacité du refroidissement de la turbine haute-pression n'est pas détériorée par la présence des trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18.
On notera que ce décalage entre les trous d'alimentation en air 26 de la bride interne 18 et les orifices 28 de l'enveloppe interne 2a peut être combiné au décalage avantageux entre ces mêmes trous 26 de la bride interne et les perçages 14 de la paroi interne 4a de la chambre de combustion 4.

Claims (4)

  1. Chambre de combustion annulaire (4) de turbomachine, comportant des parois annulaires interne (4a) et externe (4b) réunies par une paroi transversale (4c), les parois interne et externe se prolongeant à leur extrémité aval par des brides de fixation interne (18) et externe (20) destinées à être fixées respectivement sur des enveloppes interne (2a) et externe (2b) d'un carter (2) de la turbomachine pour le maintien en position de la chambre de combustion, la bride interne (18) étant munie d'une pluralité de trous (26) destinés à alimenter en air de refroidissement une turbine haute-pression (6) de la turbomachine, caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air (26) de la bride interne (18) sont répartis circonférentiellement sur au moins deux rangées (26a, 26b) disposées en quinconce.
  2. Chambre selon la revendication 1, dans laquelle les parois interne (4a) et externe (4b) sont munies d'une pluralité de perçages d'alimentation en air (14, 16) de la chambre, caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air (26) de la bride interne (18) sont décalés radialement par rapport aux perçages d'alimentation en air (14) de la paroi interne (4a).
  3. Chambre selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle l'enveloppe interne (2a) du carter (2) de la turbomachine est munie d'une pluralité d'orifices (28), caractérisée en ce que les trous d'alimentation en air (26) de la bride interne (18) sont décalés radialement par rapport aux orifices (28) de l'enveloppe interne (2a) du carter (2).
  4. Bride interne (18) de maintien en position pour chambre de combustion (4) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
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