EP1703207B1 - Carenage de chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

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EP1703207B1
EP1703207B1 EP06101397A EP06101397A EP1703207B1 EP 1703207 B1 EP1703207 B1 EP 1703207B1 EP 06101397 A EP06101397 A EP 06101397A EP 06101397 A EP06101397 A EP 06101397A EP 1703207 B1 EP1703207 B1 EP 1703207B1
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EP
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shroud
combustion chamber
turbomachine
diffuser
flow
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EP06101397A
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German (de)
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EP1703207A1 (fr
Inventor
Michel André Albert Desaulty
Michel Pierre Cazalens
Olivier Kreder
Alain Cayre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • 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

Definitions

  • the subject of this invention is a turbomachine combustion chamber shroud.
  • Such fairings cover the rear fuel injectors and protect them from shocks resulting from the ingestion of bodies such as ice blocks or birds in the machine. They have a substantially semi-toroidal shape and extend between two concentric edges for attachment to the edges of an annular bottom plate which borders the combustion chamber. The injectors extend through this plate. A central portion of the fairing is opened to allow the fuel injection hoses to pass to the injectors.
  • the openings may be a single circular slot (the fairing then being composed of two flanks, called “caps", concentric and separate) or consist of a succession of windows each leading to a group of injectors.
  • the combustion chamber in which the fairing extends often produces excessive noise associated with combustion instabilities and vibrations.
  • the reduction of acoustic emissions can be undertaken by adding stiffening or damping elements to the structure that produces them, to the detriment of the simplicity of manufacture, the lightness or the quality of the flow.
  • Other methods consist of dynamic steering of the combustion, but they do not yet have application in practice. Since it is difficult to obtain good results with these known methods, the restriction of the instabilities is sometimes neglected, which is however less and less acceptable because of the increasing demands of silence as well as good operation to which the engines must satisfy.
  • the fairings must also ensure a satisfactory flow of combustion air. Their rounded shape allows a smooth flow, provided with little turbulence, around them; but this favorable flow is guaranteed only at a nominal operating state outside which it is observed that the shape of the fairing is often no longer suitable: detachment of the flow can appear on certain portions of the sidewalls of the fairing, as well as inequalities of pressure.
  • the invention has been designed to overcome these shortcomings. It is based on improving the design of the fairing without adding material. Its essential feature is that at least one of the sides of the fairing is provided with at least one row of holes. The holes counteract the formation of a resonant cavity in the volume included in the fairing and reduce the noise emanating from it. According to another teaching of the invention, they also contribute, by stopping the pressure inequalities between the inside and the outside of the fairing, to regulate the flow of air for all modes of operation of the machine.
  • An aspect of the invention is a turbomachine combustion chamber shroud according to claim 1.
  • Another aspect of the invention is a turbomachine combustion chamber according to claim 3.
  • Another aspect of the invention is a turbomachine equipped with this fairing or this combustion chamber.
  • the document DE-A-199 00 025 describes a fairing whose central portion carries air inlet bores distinct from the openings necessary for the passage of the fuel injectors.
  • FIG 1 is a section along an axial plane of the machine, taken from one side only of the axis of rotation X of the rotor 1 of the machine.
  • This turbomachine is only partially represented in the fitted part of the invention, the remainder being not modified with respect to the known art.
  • a stator 3 of the machine Downstream of a high pressure compressor 2, a stator 3 of the machine comprises a diffuser 4 opening into a diffusion chamber 5 delimited by an outer casing 6, an internal casing 7 which is concentric with it and occupied by a flame tube.
  • the chamber bottom plate 11 carries fuel injectors 12 in connection with a fuel supply system 13 which supplies them through pipes 14 passing through the diffusion chamber 5 and the fuel injection system 13. 10. It is seen that the edges of the chamber bottom plate 11, the ferrule 9 and fairing 10 are assembled by bolts 15 superimposed in this order from the inside to the outside. The bolts 15 form two concentric circles and are associated with two edges of each of these parts.
  • the shroud 10 comprises two circular and concentric flanks 16 and 17 on either side of the openings through which the supply pipes 14 pass.
  • the flanks 16 and 17 are completely separated by an annular opening and are assembled separately to the rest of the stator.
  • the invention could equally well be applied to a one-piece fairing where the circular central slot would be replaced by a succession of shorter slots separated by radiating bridges joining the flanks 16 and 17 between them.
  • the flow of air at the outlet of the diffuser 4 preferably takes a path represented by the arrows and the current lines of the figure 2 , which essentially bypasses the fairing 10 forming a flow which should be smooth along its sides 16 and 17, that is to say tangent to them over their entire length.
  • the flow of air from the diffuser 4 is directed first towards the center of the shroud 10. It bifurcates in front of the fairing 10 downstream of the turbomachine, then passes in front of the outer envelope and the inner envelope of the ferrule 9, which is thus refreshed. This main flow or first flow is completed by a second flow, also from the diffuser 4, which enters in the fairing 10 and the flame tube 8 through the central openings of the fairing 10.
  • Certain operating modes of the machine may however require a flow such as that of the figure 3 , where a detachment 20 associated with a substantially stagnant air pocket occurs in front of a portion of the outer side of the outer flank 16 of the shroud 10. More generally, the detachment of the first flow often appears just downstream of a larger portion curvature of the flanks 16 and 17 and especially the outer flank 16 not far from the connection to the ferrule 9.
  • the holes 21 may be circular or oblong, oval or rectangular circular holes being easier to achieve. They are established in circular rows of the flanks 16 and 17 of the shroud 10, or only one of the flanks 16 or 17, with a regular distribution or not on the rows. A series of close circular holes gives a result similar to that of an oblong drilling.
  • the figure 4 represents a possible configuration of the invention, with a single row of holes 21. More complex patterns, associated with groups of holes, can give better results.
  • the figure 5 represents a few of them, next to the elementary pattern (a) composed of a piercing 21 unique of the figure 4 , patterns of two or three bores oriented axially (b or e), tangentially (c), triangle (d), square (f) or rhombus (g).
  • the rows of holes may comprise more or less regular combinations of this type of pattern.
  • An example is that of the figure 6 , where patterns composed for example of eight bores close together and aligned in tangential direction alternate with triangles. Optimization depends on the concrete conditions of the flow and the importance of the improvement sought; it will be mostly determined empirically, so that there is no need to give rules beyond these examples.
  • the holes according to the invention must of course be distinguished from the holes in the edges of the fairing 10, which serve to receive the fixing bolts 15 to the bottom plate of chamber 11, so that they are plugged and do not have the properties of those of the invention; as well as holes established through the shell 9 of the flame tube 8, which are very numerous and of fine diameter, and whose role is to create an air flow under all circumstances to the flame tube 8 to maintain it at a moderate temperature while participating in the combustion when the home is reached.

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Description

  • Le sujet de cette invention est un carénage de chambre de combustion de turbomachine.
  • De tels carénages couvrent par l'arrière les injecteurs de carburant et les protègent des chocs consécutifs à l'ingestion de corps tels que des blocs de glace ou des oiseaux dans la machine. Ils ont une forme sensiblement semi-torique et s'étendent entre deux bords concentriques de fixation aux bords d'une plaque annulaire de fond de chambre qui borde le foyer de la combustion. Les injecteurs s'étendent à travers cette plaque. Une portion centrale du carénage est ouverte pour laisser passer les tuyaux d'injection du carburant jusqu'aux injecteurs. Les ouvertures peuvent être une fente circulaire unique (le carénage étant alors composé de deux flancs, appelés "casquettes", concentriques et séparés) ou consister en une succession de fenêtres menant chacune à un groupe d'injecteurs.
  • La chambre de combustion dans laquelle le carénage s'étend produit souvent un bruit excessif associé à des instabilités de combustion et des vibrations. La réduction des émissions acoustiques peut être entreprise en ajoutant des éléments raidisseurs ou amortisseurs à la structure qui les produit, au détriment de la simplicité de fabrication, de la légèreté ou de la qualité de l'écoulement. D'autres méthodes consistent en un pilotage dynamique de la combustion, mais elles ne connaissent pas encore d'application en pratique. Comme il est difficile d'obtenir de bons résultats avec ces méthodes connues, la restriction des instabilités est parfois délaissée, ce qui est pourtant de moins en moins acceptable en raison des exigences croissantes de silence comme de bon fonctionnement auxquelles les moteurs doivent satisfaire.
  • Les carénages doivent aussi assurer un écoulement satisfaisant de l'air de combustion. Leur forme arrondie autorise un écoulement lisse, pourvu de peu de turbulences, autour d'eux ; mais cet écoulement favorable n'est garanti qu'à un état nominal de fonctionnement hors duquel on observe que la forme du carénage n'est souvent plus adaptée : des décollements de l'écoulement peuvent apparaître sur certaines portions des flancs du carénage, ainsi que des inégalités de pression.
  • L'invention a été conçue pour obvier à ces insuffisances. Elle repose sur l'amélioration de la conception du carénage sans addition de matière. Sa caractéristique essentielle est qu'au moins un des flancs du carénage soit muni d'au moins une rangée de perçages. Les perçages contrarient la formation d'une cavité résonnante dans le volume inclus dans le carénage et réduisent donc le bruit émanant de lui. Selon un autre enseignement de l'invention, ils contribuent aussi, en faisant cesser les inégalités de pression entre l'intérieur et l'extérieur du carénage, à régulariser l'écoulement de l'air pour tous les modes de fonctionnement de la machine.
  • Un aspect de l'invention est un carénage de chambre de combustion de turbomachine, conforme à la revendication 1.
  • Un autre aspect de l'invention est une chambre de combustion de turbomachine conforme à la revendication 3.
  • Un autre aspect de l'invention est une turbomachine équipée de ce carénage ou de cette chambre de combustion.
  • Le document DE-A-199 00 025 décrit un carénage dont la partie centrale porte des perçages d'entrée d'air distincts des ouvertures nécessaires au passage des injecteurs de carburant.
  • L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures suivantes :
    • la figure 1 est une vue générale d'une chambre de combustion et d'un carénage inclus,
    • les figures 2 et 3 illustrent deux modes d'écoulement,
    • la figure 4 illustre une réalisation de l'invention,
    • les figures 5 et 6 illustrent certains motifs de réalisation de l'invention,
    • et la figure 7 représente un effet de l'invention.
  • La figure 1 est une coupe selon un plan axial de la machine, prise d'un côté seulement de l'axe de rotation X du rotor 1 de la machine. Cette turbomachine est représentée seulement partiellement, à la partie équipée de l'invention, le reste n'étant pas modifié par rapport à l'art connu. En aval d'un compresseur à haute pression 2, un stator 3 de la machine comprend un diffuseur 4 débouchant dans une chambre de diffusion 5 délimitée par un carter externe 6, un carter interne 7 qui lui est concentrique et occupée par un tube à flamme 8 soutenu par les carters 6 et 7 et composé d'une virole 9 composée de deux enveloppes sensiblement cylindriques et concentriques à l'avant, d'un carénage 10 arrondi à l'arrière et d'une plaque de fond de chambre 11 séparant le tube à flamme 8 du volume dans le carénage 10. La plaque de fond de chambre 11 porte des injecteurs de carburant 12 en connexion avec un système d'alimentation en carburant 13 qui les approvisionne par des tuyaux 14 traversant la chambre de diffusion 5 et le carénage 10. On voit que des bords de la plaque de fond de chambre 11, de la virole 9 et du carénage 10 sont assemblés par des boulons 15 en se superposant dans cet ordre de l'intérieur à l'extérieur. Les boulons 15 forment deux cercles concentriques et sont associés à deux bords de chacune de ces pièces.
  • Le carénage 10 comprend deux flancs 16 et 17 circulaires et concentriques de part et d'autre des ouvertures traversées par les tuyaux d'alimentation 14. Dans des réalisations traditionnelles du carénage 10, les flancs 16 et 17 sont complètement séparés par une ouverture annulaire et sont assemblés séparément au reste du stator.
  • L'invention pourrait tout aussi bien être appliquée à un carénage monobloc où la fente centrale circulaire serait remplacée par une succession de fentes plus courtes séparées par des ponts rayonnants joignant les flancs 16 et 17 entre eux.
  • L'écoulement de l'air à la sortie du diffuseur 4 emprunte de préférence un trajet représenté par les flèches et les lignes de courant de la figure 2, qui contourne pour l'essentiel le carénage 10 en formant un écoulement qui devrait être lisse le long de ses flancs 16 et 17, c'est-à-dire tangent à eux sur toute leur longueur. L'écoulement d'air issu du diffuseur 4 est dirigé d'abord vers le centre du carénage 10. Il bifurque devant le carénage 10 vers l'aval de la turbomachine, puis passe devant l'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure de la virole 9, qui est ainsi rafraîchie. Cet écoulement principal ou premier écoulement est complété par un second écoulement, aussi issu du diffuseur 4, qui entre dans le carénage 10 puis le tube à flamme 8 par les ouvertures centrales du carénage 10. Certains modes de fonctionnement de la machine peuvent cependant imposer un écoulement tel que celui de la figure 3, où un décollement 20 associé à une poche d'air sensiblement stagnante se produit devant une portion du côté extérieur du flanc 16 extérieur du carénage 10. Plus généralement, le décollement du premier écoulement apparaît souvent juste en aval d'une portion de plus grande courbure des flancs 16 et 17 et surtout du flanc extérieur 16 non loin du raccordement à la virole 9.
  • Il est conforme à l'invention de percer le carénage 10 ainsi qu'on le représente à la figure 4. Les perçages 21 peuvent être circulaires ou oblongs, ovales ou rectangulaires, des perçages circulaires étant plus faciles à réaliser. Ils sont établis sur des rangées circulaires des flancs 16 et 17 du carénage 10, ou d'un seul des flancs 16 ou 17, avec une répartition régulière ou non sur les rangées. Une série de perçages circulaires rapprochés donne un résultat analogue à celui d'un perçage oblong.
  • Ces perçages coïncident favorablement avec les lieux où le décollement 20 peut apparaître. Leur effet principal est de réduire l'émission de bruit produite dans le volume interne du carénage 10. Cette émission a pour origine la combustion et s'exerce par un couplage de nature acoustique entre la virole 9 et le carénage 10, que des perçages 21 placés non loin du lieu de raccordement à la virole 9 ou de la plaque de fond de chambre 11 atténuent en ouvrant la cavité acoustique dans le carénage 10 de façon efficace. Il convient de remarquer que les ouvertures centrales de passage des injecteurs de carburant n'ont pas d'effet important sur la réduction du bruit malgré leur grande superficie, ce qui laisse à penser que les perçages 21 établis sur les flancs 16 et 17, plus petits mais mieux placés, ont un effet surprenant.
  • Les lieux d'efficacité des perçages 21 coïncident souvent avec ceux des décollements 20, si bien que des perçages 21 bien placés aident aussi à rétablir un écoulement régulier. L'effet technique sera celui de la figure 7 : les perçages 21 bien placés devant les lieux des décollements 20, qui correspondent à une dépression, sont traversés par une portion 22 du second écoulement, mentionné plus haut, qui est entré dans le carénage 10 et longe l'intérieur des flancs 16 et 17. Cette portion 22 du second écoulement va du côté à haute pression 23 vers le côté à basse pression 24, ce qui tend à les égaliser en donnant des lignes de courant mieux parallèles et à régulariser la forme de l'écoulement. Des perçages 21 sont donc souvent établis un peu en aval des portions de plus grande courbure des flancs 16 et/ou 17, surtout du flanc extérieur 16,
  • La figure 4 représente une configuration possible de l'invention, avec une seule rangée des perçages 21. Des motifs plus complexes, associés à des groupes de perçages, peuvent donner de meilleurs résultats. La figure 5 en représente quelques-uns, à côté du motif (a) élémentaire composé d'un perçage 21 unique de la figure 4, des motifs de deux ou trois perçages orientés axialement (b ou e), tangentiellement (c), en triangle (d), en carré (f) ou en losange (g). Les rangées de perçages peuvent comprendre des combinaisons plus ou moins régulières de ce genre de motifs. Un exemple est celui de la figure 6, où des motifs composés par exemple de huit perçages rapprochés et alignés en direction tangentielles alternent avec des triangles. L'optimisation dépend des conditions concrètes de l'écoulement et de l'importance de l'amélioration recherchée ; elle sera surtout déterminée empiriquement, de sorte qu'il n'y a pas lieu d'en donner des règles au-delà de ces exemples.
  • Alors qu'il sera souvent indiqué d'établir plusieurs rangées de perçages 21 afin de régulariser l'écoulement, une seule rangée bien placée des perçages 21 suffira souvent à un silence bien meilleur.
  • Les perçages conformes à l'invention doivent évidemment être distingués des perçages des bords du carénage 10, qui servent à recevoir les boulons 15 de fixation à la plaque de fond de chambre 11, de sorte qu'ils sont bouchés et n'ont pas les propriétés de ceux de l'invention ; tout comme des perçages établis à travers la virole 9 du tube à flamme 8, qui sont très nombreux et de diamètre fin, et dont le rôle est de créer un écoulement d'air en toute circonstance vers le tube à flamme 8 pour le maintenir à une température modérée tout en participant à la combustion quand le foyer est atteint.

Claims (7)

  1. Carénage (10) de chambre de combustion de turbomachine, couvrant une rangée circulaire d'injecteurs (12) de carburant, muni d'une portion centrale ouverte et de deux flancs (16, 17), les flancs joignant la portion centrale à deux bords concentriques de fixation du carénage à une plaque annulaire de fond de la chambre de combustion et se raccordant à une virole (9) délimitant un tube à flamme (8) de la chambre de combustion caractérisé en ce qu'au moins un des flancs est muni d'au moins une rangée de perçages (21) un peu en aval d'une portion de plus grande courbure entre ladite portion et le bord dudit flanc, qui est pourvu d'autres perçages servant à recevoir des boulons (15) de fixation.
  2. Carénage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rangée est composée de perçages circulaires disposés régulièrement sur une circonférence de carénage.
  3. Chambre de combustion de turbomachine comprenant un carter (6, 7) délimitant une chambre de diffusion (5), un tube à flamme (8) placé dans le carter, un diffuseur (4) de compresseur (2) débouchant dans la chambre de diffusion et constituant une origine d'un premier écoulement gazeux dans la chambre de diffusion, la virole (9) appartenant au tube à flamme, et caractérisée par un carénage (10) conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2 et faisant face au diffuseur de compresseur, le premier écoulement étant dirigé du diffuseur vers la portion centrale ouverte, puis contournait le carénage en longeant les flancs, et enfin longeant la virole.
  4. Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que les perçages (21) sont établis juste en aval desdites portions de plus grande courbure.
  5. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le diffuseur (4) est dirigé vers la portion centrale du carénage, qui est ouverte de façon à laisser des tuyaux (14) d'alimentation d'injecteurs de carburant (12), ainsi qu'un second écoulement gazeux, aussi issu du diffuseur (4), traverser le carénage (10).
  6. Turbomachine comprenant un carénage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2.
  7. Turbomachine comprenant une chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 3 à 5.
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