FR2496763A1

FR2496763A1 - Agencement de distribution d'air pressurise

Info

Publication number: FR2496763A1
Application number: FR8123920A
Authority: FR
Inventors: Milton James Kenworthy; Robert Carl King
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-12-22
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1982-06-25
Also published as: IT1140119B; GB2089894A; GB2089894B; FR2496763B1; JPS57124619A; DE3149761A1; IT8125537A0

Abstract

AGENCEMENT ASSURANT UNE MEILLEURE UTILISATION DE L'AIR DECHARGE. IL COMPREND AU MOINS UN CANAL 40, DISPOSE DE FACON A RECEVOIR L'AIR A HAUTE ENERGIE SORTANT DU CONDUIT 20 ET A COMMUNIQUER UNE PARTIE DE CET AIR A HAUTE ENERGIE, A UN AUTRE COMPOSANT 16. APPLICATION AUX TURBOMOTEURS.

Description

A 2496763

La présente invention concerne des agencements de distribution d'air à l'intérieur de moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, un agencement de distribution d'air perfectionné qui permet d'alimenter sélectivement en air pressurisé à haute énergie et à basse énergie des composants du moteur o l'air présente le niveau d'énergie

le plus efficace.

La présente invention comprend un agencement de distribu-

tion d'air à l'intérieur d'un moteur à turbine à gaz. Elle s'applique à un moteur à turbine à gaz d'un type qui comprend un compresseur fournissant de l'air pressurisé, un conduit qui communique avec le côté aval du compresseur, une chambre de combustion située en aval du conduit, et au-moins un autre composant, et dans lequel l'énergie de l'air pressurisé qui circule à travers le conduit est non-uniforme, c'est-à- dire que le courant est constitué d'air à haute énergie et à basse énergie. L'agencement permet de distribuer une partie de l'air à haute énergie à au moins l'un des composants du moteur autre que la chambre de combustion. Le dispositif de la présente invention comprend au moins un canal qui est disposé de façon à recevoir l'air à haute énergie sortant du

conduit et à le distribuer au composant du moteur.

Dans un mode de réalisation recommandé de la présente invention, on a d'autre part prévu au moins un canal secondaire qui reçoit l'air à basse énergie sortant du conduit et le

distribue à des composants particuliers du moteur.

La suite de la description se rapporte aux figures

annexées qui représentent respectivement: Figure 1 une vue en coupe d'un agencement de distribution d'air, selon la présente invention, entourant une chambre de combustion; Figure 2 une vue partielle en coupe, à grande échelle, d'un conduit de l'agencement de la figure 1, montrant un profil de vitesse de l'air le traversant; Figure 3 une vue en coupe d'un agencement de distribution d'air typique de l'art antérieur; et Figure 4 une vue en coupe représentant un autre mode de

réalisation de la présente invention.

En liaison maintenant avec les dessins, et plus particu-

lièrement avec la figure l, on a représenté une partie de la moitié supérieure d'un moteur à turbine à gaz selon un mode de réalisation recommandé de la présente invention. Une partie du moteur représenté comprend un compresseur 10 représenté par une ailette 12 du dernier étage du compresseur et une aube directrice 13, une chambre de combustion 14, et une turbine

16 représentée par le stator 18 du premier étage.

Le compresseur 10 est de préférence du type axial de sorte que, pendant son fonctionnement, l'air pressurisé en sort suivant une direction généralement axiale, c'est-à-dire

suivant une direction généralement parallèle à l'axe longitu-

dinai du moteur, représenté par le trait mixte 19. L'air pressurisé sort du compresseur et circule dans un conduit 20, qui communique avec l'extrémité aval du compresseur 10. Le conduit 20 est de préférence annulaire et défini par une pluralité de parois, telles que des parois concentriques 22

et 24 radialement intérieure et extérieure, respectivement.

On entend par "radialement" une direction généralement perpendiculaire à l'axe longitudinal 19 du moteur. Le conduit peut avoir n'importe quelle forme souhaitable. Dans la plupart des moteurs, le conduit 20 définira un diffuseur, c'est-à-dire que, dans la direction aval, l'aire de sa

section va en croissant.

En liaison maintenant avec la figure 2, on a représenté une vue à grande échelle du conduit 20. Pendant la sortie de l'air pressurisé du compresseur 10 et son passage à la hauteur de l'aube directrice 13 puis dans le conduit 20; l'air circulant à proximité des parois 22 et 24 du conduit est ralenti par l'effet visqueux dû aux couches limites situées le long de chacune des parois. Les flèches et le pointillé 26 représentent un profil de vitesse de l'air pressurisé pendant sa traversée du conduit 20; plus la longueur de la flèche

est petite, plus la vitesse de l'air à ce point est lente.

L'énergie cinétique de l'air est définie par la formule

1/2 mv2, o "m" représente la masse de l'air et "v" sa vitesse.

L'énergie cinétique de l'air est directement proportionnelle au carré de la vitesse. Ainsi, l'air pressurisé circulant à proximité des parois 22 et 24 du conduit 20 qui a une vitesse plus petite à cause de l'effet visqueux possède une énergie inférieure à celle de l'air à vitesse plus grande circulant à proximité du centre de la partie intérieure du conduit,

éloigné des parois.

Dans certains cas, la couche limite dans laquelle s'écoule l'air à vitesse plus faible et par conséquent énergie plus basse peut être relativement peu profonde, c'est-à-dire confinée à proximité des parois 22 et 24. Néanmoins, en

considérant le courant "contigu" aux parois 22 et 24, c'est-à-

dire l'air circulant à l'intérieur de la couche, limite ainsi qu'à une certaine distance à l'extérieur de cette couche, l'énergie moyenne de cet air sera inférieure à l'énergie moyenne de l'air circulant près de la zone centrale de la partie intérieure du conduit. C'est cet air, dont l'énergie moyenne a une valeur plus faible, qui est appelé ci-après

"air à basse énergie".

On peut améliorer les performances d'un moteur en employant de manière sélective l'air à haute énergie et l'air

à basse énergie pour effectuer les fonctions les plus effecti-

ves. L'air à basse énergie circulant près des parois du conduit peut effectivement servir à des fonctions telles que la dilution des gaz chauds de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion. Par ailleurs, l'air à haute énergie se mélange mieux que l'air à basse énergie au carburant, permet une meilleure combustion dans la chambre et un meilleur échange de chaleur avec les composants du moteur, ou un meilleur refroidissement de ces composants que ne le fait l'air à basse énergie. L'agencement de la présente invention emploie sélectivement l'air à haute énergie et l'air à basse énergie pour améliorer le rendement du moteur. Cependant, à des fins de comparaison, on se reportera brièvement à la figure 3, o les mêmes références représentent des éléments identiques à ceux de la figure 1, et o on a représenté un agencement typique de l'art antérieur de canaux allant d'un conduit 20 à une chambre de combustion 14 qu'ils entourent. Un canal central 21 achemine l'air à haute énergie du conduit 20 à la

chambre de combustion 14 o il servira à la combustion.

Cependant, des canaux intérieur et extérieur dans le sens radial 23 et 25, respectivement, reçoivent l'air à basse énergie circulant près des parois intérieure et extérieure 22 et 24 du conduit 20 de façon à refroidir les parois de la chambre de combustion 14 ainsi que les éléments situés en aval de cette chambre, tels que la turbine 16. Ainsi, le refroidissement des parois de la chambre de-combustion et des autres composants du moteur, tels que la turbine 16, est effectué par l'air à basse énergie au lieu de l'air à haute énergie. De nouveau en liaison avec la figure 1, la présente invention comprend un agencement de canaux qui sont disposés de façon à recevoir soit l'air à haute énergie, soit l'air à basse énergie, puis à distribuer l'air dont le niveau d'énergie est le plus approprié aux éléments choisis du moteur o il sera le plus efficace. Par exemple, l'agencement permet l'utilisation d'une quantité d'air à haute énergie pour le refroidissement de la chambre de combustion et des autres composants du moteur relativement plus grande que

l'agencement de l'art antérieur représenté en figure 3.

Pour plus de clarté, les canaux acheminant principalement l'air à haute énergie seront appelés "canaux primaires" et les canaux acheminant principalement l'air à basse énergie

seront appelés "canaux secondaires".

Dans la configuration représentée à la figure 1, la chambre de combustion 14, qui est située en aval du conduit 20, a une forme annulaire et est définie par des parois intérieure et extérieure dans le sens radial, représentées par les références 28 et 30, respectivement. Bien que la chambre de combustion 14 soit représentée comme comprenant des chemises intérieure et extérieure 32 et 34 définissant la paroi intérieure 28, et des chemises intérieure et extérieure 36 et 38 définissant la paroi extérieure 30, cette représentation n'est donnée qu'à titre d'exemple d'une construction de chambre de combustion, et la présente

invention s'applique également à d'autres types de construc-

tion de chambres de combustion. De plus, des chambres de combustion de forme "alvéolaire" et de forme "tubo-annulaire", ainsi que des chambres de combustion annulaires, peuvent être

utilisées dans la présente invention.

L'agencement de distribution d'air pressurisé comprend au moins un canal primaire qui est muni d'une ouverture située en amont de façon à recevoir l'air à haute énergie sortant du conduit 20 et d'une ouverture située en aval qui est placée près du composant, tel que la turbine 16, qui doit

recevoir une partie de l'air à haute énergie.

Plus spécifiquement, la configuration de la figure 1 comprend un canal primaire intérieur 40 et un canal primaire extérieur 42. Le canal 40 s'étend sensiblement près de la paroi intérieure 28 de la chambre de combustion 14. Le canal 40 est

de préférence annulaire et est défini quant à sa limite inté-

rieure dans le sens radial, par un déflecteur annulaire 44 s'étendant généralement dans le sens axial et par une partie d'un carter intérieur 46 à partir de laquelle s'étend ce déflecteur. La limite extérieure, dans le sens radial, du conduit 40 est définie par la paroi intérieure 28 de la chambre de combustion 14. Le cas échéant, on peut inclure un déflecteur annulaire 48 s'étendant à partir de la paroi intérieure 28 de la chambre 14 de façon à définir encore la limite extérieure dans le sens radial. Le conduit 40 comprend une ouverture amont 50 qui est disposée en aval de la zone centrale de la partie intérieure du conduit 20 et est alignée de façon à recevoir l'air à haute énergie sortant de cette partie du conduit. Le conduit 40 comprend également une ouverture située en aval 52 qui est disposée près d'un composant du moteur, tel que la turbine 16, de façon à

diriger vers lui une partie de l'air à haute énergie.

Le canal primaire extérieur 42 s'étend sensiblement près de la paroi extérieure 30 de la chambre de combustion 14. Le canal 42 est de préférence annulaire et est défini, quant à sa limite extérieure dans le sens radial, par un déflecteur annulaire 54 s'étendant généralement dans le sens axial, et par une partie du carter extérieur 56 à partir de laquelle s'étend ce déflecteur. La limite intérieure, dans le sens radial, du canal 42 est définie par la paroi extérieure 30 de la chambre de combustion 14. Le cas échéant, on peut inclure un déflecteur annulaire 49, s'étendant à partir de la paroi extérieure 30 de la chambre 14, dé façon à définir encore la limite intérieure dans le sens radial. Le conduit 42 comprend une ouverture amont 58 qui est disposée en aval de la zone centrale de la partie intérieure du conduit 20 et est alignée de façon à recevoir l'air à haute énergie provenant de ce conduit. Le conduit 42 comprend également une ouverture située en aval qui est disposée près d'un composant du moteur, tel que la turbine 16, de façon à fournir une partie de l'air à haute énergie qui lui est destinée. Comme on peut le voir sur la figure 1, situés du côté amont de la chambre de combustion 14, se trouvent un dôme 62 et ses éléments auxiliaires, tels qu'une conduite de carburant 64 et une coupelle de turbulence 66. On prévoit des moyens qui permettent d'introduire dans la chambre de combustion 14 une partie de l'air à haute énergie. Ces moyens peuvent comprendre des orifices 67 pratiqués dans le dôme 62 de la chambre de combustion, qui peuvent être disposés, par exemple, dans la coupelle 66. Lorsque les déflecteurs 48 et 49 sont incorporés dans l'agencement de distribution d'air,

ils constituent en outre des éléments des moyens d'introduc-

tion d'air à haute énergie dans la chambre de combustion 14.

Dans ce cas, les déflecteurs 48 et 49 définissent un orifice d'entrée 69 dans la chambre de combustion qui est situé en aval de la zone centrale du conduit 20 et est aligné de façon à recevoir de ce conduit de l'air à haute énergie. L'air est mélangé avec le carburant dans le dôme de la chambre de combustion et le mélange résultant brûle à l'intérieur de la chambre 14. La partie de l'air à haute énergie qui n'est pas introduite dans la chambre 14 par les orifices 67 circule dans le canal primaire intérieur 40 et dans le canal primaire

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extérieur 42 et est appliquée à des éléments situés en aval de la chambre 14, tels que la turbine 16, quel qu'en soit

l'objet, par exemple à des fins de refroidissement.

Naturellement, pendant que l'air à haute énergie traverse les canaux 40 et 42, il refroidit les surfaces avec lesquelles il se trouve en contact, telles que les parois intérieure et extérieure 28 et 30 de la chambre de combustion. De plus, les canaux primaires intérieur et extérieur 40 et 42 peuvent comprendre des orifices situés entre les ouvertures amont et aval 50, 58, 52 et 60, respectivement, de façon à fournir une partie de l'air à haute énergie pour refroidir en outre les parois intérieure et extérieure 28 et 30 de la chambre de combustion. Par exemple, une partie de l'air à haute énergie peut être dirigée par des orifices 68 pour un refroidissement par percussion et pelliculaire des chemises intérieures et

extérieures 32, 34, 36 et 38 de la chambre.

L'agencement de distribution d'air de la présente invention peut également comprendre au moins un canal secondaire dont une ouverture est disposée en amont de façon à recevoir l'air à basse énergie quittant le conduit 20 et une ouverture aval est contiguë à un certain composant du moteur

de façon que celui-ci reçoive cet air.

Par exemple, la configuration représentée en figure 1 comprend un canal secondaire intérieur annulaire 70 et un canal secondaire extérieur annulaire 72. Les canaux 70 et 72 comportent des ouvertures amont 74 et 76, respectivement, qui sont disposées en aval des parois 22 et 24, respectivement, du conduit 20 et en un endroit contigu de ces parois, de façon à recevoir l'air à basse énergie circulant au voisinage de ces parois. Le conduit 70 s'étend sensiblement à proximité

du conduit primaire intérieur 40 et radialement vers l'inté-

rieur de celui-ci, et est défini par le déflecteur annulaire 44 et le carter intérieur 46. Le canal secondaire extérieur 72 s'étend sensiblement à proximité du canal primaire extérieur 42 et radialement vers l'extérieur de celui-ci et est défini par le déflecteur annulaire 54 et le carter extérieur 56. Les canaux secondaires intérieur et extérieur comportent chacun une ouverture aval 78 et 80, respectivement, qui ont pour fonction d'acheminer l'air à basse énergie dans la direction d'un certain composant du moteur. Par exemple, la configuration de la figure 1 comprend des viroles 82 munies de trous de dilution qui s'étendent à travers les parois 28 et de la chambre de combustion 14 afin d'introduire l'air dans

cette chambre et diluer les gaz chauds provenant de la combus-

tion. Les ouvertures aval 78 et 80 des conduits secondaires intérieur et extérieur 70 et 72 transmettent et répartissent au moins une partie de l'air à basse énergie par -l'intermédiaire de ces viroles 82 afin d'alimenter la chambre 14. Ainsi, l'air à basse énergie fournit de l'air de dilution destiné à la chambre de combustion, l'air à haute énergie servant à la combustion et'au refroidissement. Naturellement, l'air à basse énergie circulant dans les canaux 70 et 72 peut être utilisé

à une toute autre fin.

Une seconde configuration de l'agencement de la présente invention est représentée en figure 4, o les mêmes références représentent des éléments identiques à ceux de la première

configuration.

La configuration de la figure 4 comprend des canaux secondaires intérieur et extérieur 88 et 90 qui sont de préférence annulaires, le conduit 88 étant défini par le carter intérieur 46 et la paroi intérieure 28 de la chambre de combustion comprenant un déflecteur annulaire 104 qui s'étend à partir d'elle, et le conduit 90 étant défini par le carter extérieur 56 et la paroi extérieure 30 de la chambre de combustion comprenant un déflecteur 106 qui s'étend à partir d'elle. Les canaux 88 et 90 comprennent des ouvertures amont 92 et 94, respectivement, qui sont disposées en aval des parois 22 et 24, et sont sensiblement en alignement avec celles-ci, respectivement, du conduit 20 de façon à recevoir l'air à basse énergie circulant près des parois, et comportent également des ouvertures aval 96 et 98, respectivement, qui ont pour fonction d'acheminer l'air à basse énergie vers les composants du moteur, par exemple vers le turbine 16. L'air à basse énergie peut être également fourni à partir des canaux secondaires intérieur et extérieur 88 et 90, par l'intermédiaire d'orifices 68, pour un refroidissement par percussion et pelliculaire des parois 28 et 30 de la chambre de combustion et, par l'intermédiaire de la virole 82, pour diluer les gaz chauds à l'intérieur de la chambre 14. Cette configuration comprend également un canal primaire 84 ayant un orifice amont 86 qui est disposé en aval de la zone centrale de la partie intérieure du conduit 20 et est aligné de manière à recevoir l'air à haute énergie provenant de ce conduit. Une partie de l'air à haute énergie s'écoule depuis le canal primaire 84 pour entrer dans la chambre de combustion 14 en passant par le dôme 62 de cette chambre. Le reste de l'air à haute énergie circule dans'le canal primaire 84 pour se diriger vers l'ouverture aval 100 o il est envoyé sur les composants du moteur, tels que la turbine 16, pour en provoquer le refroidissement ou pour toute autre fonction. Le canal primaire 84 comprend des parties amont et aval 84a et 84b et s'étend à travers l'un des canaux secondaires, tel que le canal secondaire intérieur 88, de sorte que la partie aval 84b s'étend à proximité du côté du canal secondaire opposé à celui de la chambre de combustion 14. Le canal primaire 84 est de préférence surtout annulaire, mais comporte une pluralité de passages 102, de forme tubulaire ou de toute autre forme, qui relient les parties amont et aval 84a et 84b. Les passages 102 s'étendent à travers le canal secondaire, mais ne communiquent pas avec celui-ci, et ont une forme et des dimensions telles qu'ils ne bloquent pas complètement le débit d'air à basse énergie dans le canal secondaire 88. Ainsi, le canal primaire 84 est défini par les déflecteurs 104 et 106 s'étendant depuis les parois 28 et 30 de la chambre de combustion les passages 102, et les parois intérieure et extérieure de canal 108 et 110, qui sont de préférence annulaires. La paroi extérieure de canal 110 peut être une paroi distincte, ou,

comme représenté en figure 4, peut constituer le carter inté-

rieur 46.

Claims

REVENDICATIONS

1. Agencement de distribution d'air à haute énergie pour turbo-moteur comprenant un compresseur (10)de fourniture d'air pressurisé, un conduit(20)communiquant avec la partie aval du compresseur, une chambre de combustion(14)située en aval du conduit, et au moins un autre composant(16)du moteur, et o l'énergie de l'air pressurisé circulant dans le conduit est non-uniforme et comporte de l'air à haute énergie et de l'air à basse énergie, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un canal(40)disposé de façon à recevoir l'air à haute énergie sortant du conduit (20)et à communiquer une partie de cet air à haute énergie à l'autre composant (16

2. Agencement de distribution d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal(40)comprendune ouverture amont(50)pour recevoir l'air à haute énergie et une ouverture

aval(52)pour communiquer l'air à haute énergie.

3. Agencement de distribution d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit(40)est défini par une pluralité de parois(44, 46, 48) et le côté amont du canal est disposé de façon à recevoir l'air sortant d'une zone du

conduit(20)proche du centre de sa partie intérieure.

4. Agencement de distribution d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens(67)pour introduire une partie de l'air à haute énergie dans la chambre

de combustion(14).

5. Agencement de distribution d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un canal secondaire(70)disposé de façon à recevoir l'air à basse énergie

et à le communiquer à un certain composant du moteur.

6. Agencement de distribution d'air selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre de combustion(14)est définie par au moins une paroi comportant des trous de dilution (82)et en ce qu'un canal secondaire est disposé de façon à acheminer au moins une partie de l'air à basse énergie jusqu'à la chambre de combustion après passage dans les trous de

dilution.

7. Agencement de distribution d'air à haute énergie et

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d'air à basse énergie dans un turbo-moteur comprenant un compresseur(10) fournissant de l'air comprimé, un conduit annulaire (20)communiquant avec le côté aval du compresseur, le conduit(20)étant défini par des parois intérieure et extérieure concentriques, une chambre de combustion(14)en aval du conduit(20),et au moins un autre composant(16)du moteur en aval de la chambre de combustion(14),et o l'énergie

de l'air pressurisé circulant dans le conduit(20)est non-

uniforme de sorte que de l'air à basse énergie s'écoule à proximité des parois du conduit et de l'air à haute énergie à proximité de la zone centrale de la partie intérieure du conduit, caractérisé en ce qu'il comprend: a) au moins un canal primaire annulaire(40)ayant une ouverture amont (50)qui est disposée en aval de la zone centrale de la partie intérieure du conduit(20) et est alignée de façon à recevoir de ce conduit l'air à haute énergie et une ouverture aval(52)qui est disposée près de l'autre composant(16)de façon à acheminer une partie de l'air à haute énergie jusqu'à cet autre composant; b) au moins un canal secondaire annulaire(70)comportant une ouverture amont(74)qui est disposée en aval de l'une(22)des parois du conduit(20)et est sensiblement alignée près de cette paroi de façon à recevoir l'air à basse énergie et une ouverture aval(78)de façon à distribuer de manière sélective cet air à basse énergie; et c) des moyens(82)pour introduire une partie de l'air à

haute énergie dans la chambre de combustion (14).

8. Agencement de distribution d'air selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de combustion (14)est annulaire et est définie par des parois intérieure(34)et extérieure(38)disposées généralement dans le sens radial et en ce que l'agencement de distribution d'air comprend un canal primaire intérieur(40)s'étendant sensiblement à proximité de la paroi intérieure (34)et un canal primaire extérieur(42)

s'étendant sensiblement à proximité de la paroi extérieure(38).

9. Agencement de distribution d'air selon la revendication 8, caractérisé en ce que les canaux primaires intérieur (40)et

extérieur(42)comportent des orifices situés entre les ouver-

tures amont(50)et(58)et aval(52)et(60)de façon à fournir une partie de l'air à haute énergie pour qu'il refroidisse les parois intérieure(34)et extérieure(38),respectivement, de la

chambre de combustion (14).

10. Agencement de distribution d'air selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de combustion comprend au moins un trou de dilution(82),et l'ouverture aval (78)du canal secondaire(70)communique avec celui-ci pour transmettre au

moins une partie de l'air à basse énergie à la chambre(14).

11. Agencement de distribution d'air selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un canal secondaire intérieur(70) s'étendant sensiblement à proximité du canal primaire intérieur 40 et radialement vers son intérieur et un canal secondaire extérieur(72) s'étendant sensiblement à proximité du canal primaire extérieur(42)et radialement

vers son intérieur.

12. Dispositif de distribution d'air selon la revendication

7, caractérisé en ce que le conduit(20) est un diffuseur.

13. Agencement de distribution d'air selon la revendication 7, caractérisé en ce que le canal primaire(84)comprend des parties amont(84a) et aval(84b)qui sont reliées par une pluralité de passages(102),ces passages traversant le canal

secondaire(88)mais ne communiquant pas avec lui.