EP2071240B1 - Chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

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EP2071240B1
EP2071240B1 EP08171581.5A EP08171581A EP2071240B1 EP 2071240 B1 EP2071240 B1 EP 2071240B1 EP 08171581 A EP08171581 A EP 08171581A EP 2071240 B1 EP2071240 B1 EP 2071240B1
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EP
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orifices
combustion chamber
combustion
bowl
chamber
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EP08171581.5A
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German (de)
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EP2071240A1 (fr
Inventor
Alain Cayre
Denis Jean Maurice Sandelis
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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
    • F23R3/002—Wall structures
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion chambers of aeronautical turbomachines.
  • a turbomachine combustion chamber comprising a bottom chamber which has at least one opening for receiving a bowl in the axis of which is mounted an air and fuel injection device, said bowl being flared in the direction of gas flow and having cooling means.
  • the bowl 30 has a concentric cylindrical portion and a frustoconical portion, designated divergent.
  • Such a combustion chamber is represented on the figure 1 .
  • the chamber is subjected to very high thermal and mechanical stresses of the elements of the chamber bottom, more particularly, the combustion bowl and the wall of the collar downstream of the bowl are subjected to temperatures high.
  • He is known by the patent EP0821201B1 cooling the divergent convective combustion bowl by circulating air in a cavity formed in the diverging.
  • Flow disrupters are placed in the cavity to slow down the flow of air which is then expelled into the combustion chamber to participate in the spraying of the fuel.
  • the air flow tends to heat up and does not allow to cool the divergent effectively.
  • He is also known by the patent EP0182687B1 to cool a combustion bowl having a diverging double wall.
  • the outer wall of the divergent having inlet ports for cooling the downstream partition by impact, the air then escaping through an outlet channel formed downstream of the diverging portion and arranged to cool the latter by "blowing".
  • the impact cooling does not allow to cool the divergent effectively.
  • the outlet channel is arranged at a distance from the inlet ports, the air flow tends to heat up as it passes between the partitions, which penalizes the cooling of the diverging portion.
  • the Applicant proposes a combustion chamber for efficient cooling of the diverging portion of the combustion bowl while promoting the spraying of the fuel mixture from the injector.
  • FIG. 2 On the figure 2 is represented the upstream end of a combustion chamber 1 for a turbojet comprising an air and fuel injection system 22.
  • a fraction of the upstream air coming from the compressor is guided through the injection system 22 to the formation of a fuel mixture injected along an axis X; it passes into the primary zone where the combustion reactions take place, and the gases produced are diluted and cooled in the downstream secondary zone, not shown, and are distributed to the turbine that they drive.
  • the injection system 22 comprises a fuel injector 2 aerodynamic spray for example as described in the FR-A-2,206,796 .
  • This injector 2 comprises a streamlined central fuel feed body extended downstream by radial swirl fins 23 constituting an internal centripetal swirler; an annular cap 25 is provided with an internal channel connecting to the internal swirler 23. On this cap 25 is mounted a row of outer fins 24 constituting an external auger substantially radial flow.
  • the fuel ply is thus pulverized by shearing effect between the air flow swirled by the internal swirler and the air flow swirled by the external swirler.
  • the injector 2 is connected to the combustion chamber 1 via a circular section piece, called combustion bowl 30, for its frustoconical part flared downstream.
  • the bowl 30 has a cylindrical portion concentric with the internal swirler and a frustoconical part, designated divergent 31, constituting with the cap 25 an annular channel for the swirling air flow from the external swirler.
  • the bowl 30 is connected to the wall 12 of the chamber bottom at its downstream edge, the chamber being delimited by an outer wall 13.
  • the diverging portion 31 of the combustion bowl consists of a double partition delimiting an annular cavity 35 with a thickness of between 0.5 and 0.8 mm.
  • This double partition comprises a first outer partition 33 and a second inner partition 34 respectively comprising inlet ports 331 and outlet 332 of the cooling air flow from the compressor.
  • the inlet orifices 331 form three peripheral circular rows 331A, 331B, 331C in the outer wall 33.
  • the inlet orifices 331 are, for each row, evenly distributed around the circumference of the bowl 30.
  • These inlet ports 331 are arranged to guide the flow of air from the compressor and to cool by impact the inner partition 34 of the divergent 31.
  • the cooled air jets impact at high speed the inner partition 34 of the divergent 31 which allows to lower its temperature and to limit the formation of hot spots in the bowl 30.
  • the outlet orifices 332 are, for each row, evenly distributed around the periphery of the bowl. 30.
  • the inlet ports 331 are here staggered with the outlet orifices 332 as shown in FIG. figure 3 to homogenize the cooling of the inner partition 34 of the bowl 30.
  • the inlet orifices 331 have a small diameter, between 0.8 mm and 1 mm, so as to increase the speed of the air flow in the annular cavity 35.
  • the orifice of 331C in 331C leads to four outlets 332 whose diameter, greater than that of the inlet ports 331, is between 1.5 mm and 2.5 mm.
  • the air flow enters through this inlet orifice 331 of small diameter and escapes rapidly through the four outlet orifices 332, arranged in staggered rows in its vicinity, to participate in the spraying of the fuel mixture and the cooling of the walls of the combustion chamber.
  • the air flow circulates with a high speed in the cavity 35.
  • the air flow does not have time to heat up which allows effective cooling of the divergent 31.
  • the inlet orifices 331 have a tangential impact of between 20 ° and 45 °, which makes it possible to increase the residence time of the cooling air in the annular cavity 35 and to prevent it from circulating between partitions 33, 34 at a speed too high without taking heat on the divergent 31.
  • the tangential impact of the outlet orifices 332 is adapted to be in the opposite direction to the orientation of the second external radial swirler 24.
  • the flow of cooling air emerging from the outlet orifices 332 is swirling in the direction of rotation contrary to that of the outer radial swirler 24. This swirl against rotating promotes the shearing and spraying of the fuel mixture.
  • Each row of inlet and outlet ports 331 and 332 has the same number of ports that are staggered with each other.
  • the number of rows of orifices and their positioning on the diverging portion 31 can be varied as a function of the effect one wishes to promote (shearing of the fuel ply, spraying of the fuel mixture or cooling of the walls of the plenum chamber). combustion).
  • the row of outlet orifices 332C is formed downstream of the inner partition 34 of the divergent portion 31. After the air flow has cooled by the impact of the internal partition 34, the latter is guided in the annular cavity 35 before to be expelled axially downstream of the divergent 31 to participate in the cooling of the walls of the combustion chamber 1, thus avoiding that the heat generated by the combustion leads to the creation of hot spots on the walls of the combustion chamber 1.

Description

  • La présente invention concerne le domaine des chambres de combustion des turbomachines aéronautiques.
  • Elle concerne plus précisément une chambre de combustion de turbomachine comportant un fond de chambre qui présente au moins une ouverture destinée à recevoir un bol dans l'axe duquel est monté un dispositif d'injection d'air et de carburant, ledit bol étant évasé dans le sens de l'écoulement des gaz et comportant des moyens de refroidissement. Le bol 30 comporte une partie cylindrique concentrique et une partie tronconique, désignée divergent. Une telle chambre de combustion est représentée sur la figure 1.
  • Dans les chambres de combustion de ce type, notamment les chambres des turboréacteurs à usage militaire, les bols et les déflecteurs ou coupelles équipant les fonds de chambre sont particulièrement sollicités.
  • Compte tenu de l'évolution des turboréacteurs, la chambre est soumise à des sollicitations thermiques et mécaniques très importantes des éléments du fond de chambre, plus particulièrement, le bol de combustion et la cloison de la collerette en aval du bol sont soumises à des températures élevées.
  • Il est connu par le brevet EP0821201B1 de refroidir le divergent du bol de combustion par convection en faisant circuler de l'air dans une cavité formée dans le divergent. Des perturbateurs d'écoulement sont placés dans la cavité afin de ralentir le flux d'air qui est ensuite expulsé dans la chambre de combustion pour participer à la pulvérisation du carburant. Toutefois en raison du ralentissement de l'air dans la cavité, le flux d'air a tendance à s'échauffer et ne permet pas de refroidir le divergent de manière efficace.
  • Il est également connu par le brevet EP0182687B1 de refroidir un bol de combustion ayant un divergent en double cloison. La cloison extérieure du divergent comprenant des orifices d'entrée pour refroidir par impact la cloison aval, l'air s'échappant ensuite par un canal de sortie ménagé en aval du divergent et agencé pour refroidir cette dernière par "soufflage". Le refroidissement par impact, tel qu'il est réalisé ici, ne permet pas de refroidir le divergent de manière efficace. Comme le canal de sortie est ménagé à distance des orifices d'entrée, le flux d'air a tendance à s'échauffer lors de son passage entre les cloisons, ce qui pénalise le refroidissement du divergent.
  • Afin de résoudre au moins certains de ces inconvénients, la demanderesse propose une chambre de combustion permettant un refroidissement efficace du divergent du bol de combustion tout en favorisant la pulvérisation du mélange carburé issu de l'injecteur.
  • A cet effet, l'invention concerne une chambre de combustion de turbomachine comportant un fond de chambre qui présente au moins une ouverture destinée à recevoir un bol de combustion dans l'axe duquel est monté un dispositif d'injection d'air et de carburant, ledit bol évasé comportant en aval un divergent constitué d'une double cloison délimitant une cavité annulaire,
    • la première cloison extérieure comportant des orifices d'entrée agencés pour refroidir par impact la seconde cloison intérieure;
    • la seconde cloison intérieure comportant des orifices de sortie;
    chambre caractérisée par le fait que les orifices d'entrée, répartis en au moins deux rangées circulaires sur le pourtour du divergent, sont en quinconce avec les orifices de sortie.
  • La cloison intérieure du divergent est avantageusement refroidie par impact par les deux rangées circulaires d'orifices d'entrée, ce qui permet de guider un flux d'air sur la surface entière du divergent tout en permettant une circulation du flux efficace due à la configuration des orifices en quinconce.
  • De préférence, l'incidence tangentielle des orifices de sortie est comprise entre 20° et 45°.
  • De préférence encore, l'incidence tangentielle des orifices d'entrée est égale, et, dans le même sens, que celle des orifices de sortie.
  • L'air de refroidissement, entrant par les orifices d'entrée dans la cavité annulaire et ressortant par les orifices de sortie, est avantageusement mis en tourbillonnement ce qui crée des turbulences favorisant la pulvérisation et le cisaillement du mélange carburé.
  • De préférence toujours, la chambre de combustion comprend au moins une vrille agencée pour mettre en tourbillonnement l'air et le carburant injecté dans la chambre.
  • De préférence toujours, l'incidence tangentielle de la pluralité d'orifices de sortie est dans le sens contraire au sens de tourbillonnement de la vrille.
  • De manière avantageuse, le tourbillon généré par la vrille est perturbé par le tourbillon, entraîné en rotation dans le sens inverse, généré par les orifices de sortie ce qui améliore la pulvérisation et le cisaillement du mélange carburé.
  • De préférence, les orifices de sortie et les orifices d'entrée sont répartis en rangées circulaires, les orifices de chaque rangée étant régulièrement répartis sur le pourtour du bol.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins annexés sur lesquels:
    • la figure 1 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de combustion selon l'art antérieur;
    • la figure 2 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de combustion avec un bol de combustion selon une première forme de réalisation de l'invention;
    • la figure 3 représente une disposition schématique des orifices d'entrée et de sortie ménagés en quinconce dans les cloisons du divergent du bol de combustion;
    • la figure 4 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de combustion avec un bol de combustion selon une deuxième forme de réalisation de l'invention; et
    • la figure 5 représente une vue en coupe radiale d'un fond chambre de combustion avec un bol de combustion selon une troisième forme de réalisation de l'invention.
  • Sur la figure 2 est représentée l'extrémité amont d'une chambre de combustion 1 pour turboréacteur comportant un système d'injection d'air et de carburant 22. Une fraction de l'air amont provenant du compresseur est guidée à travers le système d'injection 22 pour la formation d'un mélange carburé injecté selon un axe X; celui-ci passe dans la zone primaire où ont lieu les réactions de combustion, puis les gaz produits sont dilués et refroidis dans la zone secondaire aval, non représentée, et sont distribués vers la turbine qu'ils entraînent.
  • Le système d'injection 22 comprend un injecteur de carburant 2 à pulvérisation aérodynamique par exemple tel que décrit dans le brevet FR-A-2 206 796 .
  • Cet injecteur 2 comprend un corps central profilé d'amenée du carburant prolongé vers l'aval par des ailettes de tourbillonnement 23 à écoulement radial constituant une vrille centripète interne; un chapeau annulaire 25 est pourvu d'un canal interne se raccordant à la vrille interne 23. Sur ce chapeau 25 est monté une rangée d'ailettes externes 24 constituant une vrille externe à écoulement sensiblement radial.
  • La nappe de carburant est ainsi pulvérisée par effet de cisaillement entre le flux d'air mis en tourbillonnement par la vrille interne et le flux d'air mis en tourbillonnement par la vrille externe.
  • L'injecteur 2 vient se raccorder à la chambre de combustion 1 par l'intermédiaire d'une pièce de section circulaire, nommée bol de combustion 30, pour sa partie tronconique évasée vers l'aval. Le bol 30 comporte une partie cylindrique concentrique à la vrille interne et une partie tronconique, désignée divergent 31, constituant avec le chapeau 25 un canal annulaire pour le flux d'air tourbillonnant provenant de la vrille externe.
  • Le bol 30 est relié à la paroi 12 du fond de chambre à son bord aval, la chambre étant délimitée par une paroi externe 13.
  • Le divergent 31 du bol de combustion est constitué d'une double cloison délimitant une cavité annulaire 35 d'épaisseur comprise entre 0,5 et 0,8 mm. Cette double cloison comporte une première cloison extérieure 33 et une deuxième cloison intérieure 34 comprenant respectivement des orifices d'entrée 331 et de sortie 332 du flux d'air de refroidissement provenant du compresseur.
  • En référence à la figure 2 représentant une première forme de réalisation de l'invention, les orifices d'entrée 331 forment trois rangées circulaires périphériques 331A, 331B, 331C dans la cloison extérieure 33. Les orifices d'entrée 331 sont, pour chaque rangée, régulièrement répartis sur le pourtour du bol 30. Ces orifices d'entrée 331 sont agencés pour guider le flux d'air provenant du compresseur et refroidir par impact la cloison intérieure 34 du divergent 31. Les jets d'air refroidis impactent à haute vitesse la cloison intérieure 34 du divergent 31 ce qui permet d'abaisser sa température et de limiter la formation de points chauds dans le bol 30.
  • Les orifices de sortie 332, de manière analogue aux orifices d'entrée 331, forment trois rangées circulaires périphériques 332A, 332B, 332C dans la cloison intérieure 34. Les orifices de sortie 332 sont, pour chaque rangée, régulièrement répartis sur le pourtour du bol 30. Les orifices d'entrée 331 sont ici disposés en quinconce avec les orifices de sortie 332 comme représenté sur la figure 3 afin d'homogénéiser le refroidissement de la cloison intérieure 34 du bol 30.
  • En référence plus particulièrement à la figure 3, les orifices d'entrée 331 possèdent un faible diamètre, compris entre 0,8 mm et 1 mm, de manière à augmenter la vitesse du flux d'air dans la cavité annulaire 35. A titre d'exemple, l'orifice d'entrée 331 de la rangée 331C débouche sur quatre orifices de sortie 332 dont le diamètre, supérieur à celui des orifices d'entrée 331, est compris entre 1,5 mm et 2,5 mm.
  • Lors de la circulation de l'air dans la cavité annulaire 35, le flux d'air pénètre par cet orifice d'entrée 331 de faible diamètre et s'échappe rapidement par les quatre orifices de sortie 332, disposés en quinconce à son voisinage, pour participer à la pulvérisation du mélange carburé et au refroidissement des parois de la chambre de combustion. Ainsi, grâce à cette disposition en quinconce, le flux d'air circule avec une vitesse importante dans la cavité 35. Le flux d'air n'a pas le temps de s'échauffer ce qui permet un refroidissement efficace du divergent 31.
  • En référence à la figure 2, la rangée 332C d'orifices de sortie, disposée le plus en aval du divergent 31, participe activement au refroidissement des parois de la chambre de combustion 1, la rangée intermédiaire 332B participant à la pulvérisation du mélange carburé et la rangée 332A d'orifices de sortie, disposée le plus en amont, participant au cisaillement du mélange carburé en coopération avec la vrille externe 24 disposée à son voisinage.
  • Les orifices d'entrée 331 ont une incidence tangentielle comprise entre 20° et 45°, ce qui permet d'augmenter le temps de séjour de l'air de refroidissement dans la cavité annulaire 35 et d'éviter que celui-ci ne circule entre les cloisons 33, 34 à une vitesse trop élevée sans prélever de chaleur sur le divergent 31.
  • De manière analogue, les orifices de sortie 332 ont une incidence tangentielle dans le même sens et de la même valeur que l'incidence tangentielle des orifices d'entrée 331. Ainsi, l'air de refroidissement est mis en tourbillonnement dans la chambre de combustion 1 pour former un flux d'air vrillé permettant de pulvériser de manière rapide et efficace le mélange carburé et de refroidir les parois de la chambre de combustion 1.
  • L'incidence tangentielle des orifices de sortie 332 est adaptée de manière à être dans le sens inverse de l'orientation de la seconde vrille radiale extérieure 24. Ainsi, en fonctionnement, le flux d'air de refroidissement débouchant des orifices de sortie 332 est mis en tourbillonnement dans le sens de rotation contraire à celui de la vrille radiale extérieure 24. Ce tourbillonnement contre rotatif favorise le cisaillement et la pulvérisation du mélange carburé.
  • Chaque rangée d'orifices d'entrée 331 et de sortie 332 comporte le même nombre d'orifices qui sont disposés en quinconce les uns avec les autres. On peut modifier le nombre de rangées d'orifices ainsi que leur positionnement sur le divergent 31 en fonction de l'effet que l'on souhaite favoriser (cisaillement de la nappe de carburant, pulvérisation du mélange carburé ou refroidissement des parois de la chambre de combustion).
  • A titre d'exemple, en référence à une deuxième forme de réalisation, la cloison aval 34, représentée sur la figure 4, comporte une unique rangée d'orifices de sortie 332C dont les orifices 332 sont disposés en quinconce avec les orifices d'entrée 331 ménagés dans la cloison extérieure 33, les orifices d'entrée 331 étant divisés en cinq rangées. Dans cet exemple, les orifices d'entrée 331 possèdent un diamètre plus faible et sont plus nombreux en comparaison à la première forme de réalisation de la figure 2, le débit d'air refroidi demeurant, cependant, sensiblement égal.
  • Toujours en référence à la figure 4, la rangée d'orifices de sortie 332C est ménagée en aval de la cloison intérieure 34 du divergent 31. Après que le flux d'air a refroidi par impact la cloison intérieure 34, celui-ci est guidé dans la cavité annulaire 35 avant d'être expulsé axialement en aval du divergent 31 pour participer au refroidissement des parois de la chambre de combustion 1, évitant ainsi que la chaleur générée par la combustion n'entraîne la création de points chauds sur les parois de la chambre de combustion 1.
  • En référence à une troisième forme de réalisation représentée sur la figure 5, la cloison intérieure 34 comporte une unique rangée d'orifices de sortie 332A dont les orifices 332 sont disposés en quinconce avec les orifices d'entrée 331 ménagés dans la cloison extérieure 33, les orifices d'entrée 331 étant divisés en cinq rangées de manière similaire à la deuxième forme de réalisation de l'invention.
  • Toujours en référence à la figure 5, la rangée d'orifices de sortie 332A est ménagée en amont de la cloison intérieure 34 du divergent 31. Après que le flux d'air a refroidi par impact la cloison intérieure 34, la rangée 332A d'orifices de sortie vient cisailler radialement la nappe de mélange carburé au voisinage immédiat de l'injecteur 2. L'incidence tangentielle des orifices de sortie 332 opposée à celle de la seconde vrille extérieure 24 améliore encore plus le cisaillement de la nappe de mélange carburé et permet une pulvérisation homogène sans création de points chauds sur le divergent 31 du bol de combustion 30.

Claims (6)

  1. Chambre de combustion de turbomachine (1) comportant un fond de chambre qui présente au moins une ouverture destinée à recevoir un bol de combustion (30) dans l'axe duquel est monté un dispositif d'injection d'air et de carburant, ledit bol évasé (30) comportant en aval un divergent (31) constitué d'une double cloison délimitant une cavité annulaire (35),
    - la première cloison extérieure (33) comportant des orifices d'entrée (331) agencés pour refroidir par impact la seconde cloison intérieure (34);
    - la seconde cloison intérieure (34) comportant des orifices de sortie (332);
    chambre caractérisée par le fait que les orifices d'entrée (331), répartis en au moins deux rangées circulaires sur le pourtour du divergent (31), sont en quinconce avec les orifices de sortie (332).
  2. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle l'incidence tangentielle des orifices de sortie (332) est comprise entre 20° et 45°.
  3. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle l'incidence tangentielle des orifices d'entrée (331) est égale, et, dans le même sens, que celle des orifices de sortie (332).
  4. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la chambre de combustion (1) comprend au moins une vrille (23,24) agencée pour mettre en tourbillonnement l'air et le carburant injecté dans la chambre (1).
  5. Chambre de combustion selon la revendication 4, dans laquelle l'incidence tangentielle de la pluralité d'orifices de sortie (332) est dans le sens contraire au sens de tourbillonnement de la vrille (23, 24).
  6. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les orifices de sortie (332) et les orifices d'entrée (331) sont répartis en rangées circulaires (331A-C, 332A-C), les orifices de chaque rangée étant régulièrement répartis sur le pourtour du bol (30).
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