FR2614973A1 - Chambre de combustion - Google Patents
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Abstract
UNE CHAMBRE DE COMBUSTION 17 DE MOTEUR A TURBINE A GAZ EST EQUIPEE D'UNE PAROI AMONT HEMISPHERIQUE 20 CONSTITUEE PAR DEUX PEAUX 20 A, 20 B, AYANT DES FORMES EN CORRESPONDANCE, QUI SONT MAINTENUES ECARTEES L'UNE DE L'AUTRE PAR DES SUPPORTS 27 FIXES A L'UNE DES PEAUX 20 B AFIN DE DEFINIR UN ESPACE 28 ENTRE ELLES. DE L'AIR DE REFROIDISSEMENT EST INTRODUIT DE FACON CONNUE ET PROGRESSIVE A L'INTERIEUR DE L'ESPACE 28 A TRAVERS DES OUVERTURES 30 PRATIQUEES DANS LA PREMIERE PEAU AMONT 20 A AFIN D'ASSURER UN REFROIDISSEMENT EFFECTIF DE LA SECONDE PEAU AVAL 20 B. L'AIR DE REFROIDISSEMENT EST EVACUE DE L'ESPACE 28 PAR UN ORIFICE D'ECHAPPEMENT 31 DEFINI PAR LA PREMIERE PEAU 20 A ET LE POURTOUR DE LA SECONDE PEAU 20 B AFIN D'ASSURER UN FILM REVETANT L'EXTREMITE AMONT DE LA PAROI 21 DE LA CHAMBRE DE COMBUSTION.
Description
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Cette invention a trait à des chambres de combustion et en particulier à des chambres de combustion adaptées aux moteurs à
turbine à gaz.
Dans une forme de moteur à turbine à gaz, le système de combustion du moteur comprend un certain nombre de chambres de
combustion semblables qui sont disposées circonférenciellement en aval-
du compresseur du moteur et en amont de sa turbine. Chaque chambre de combustion présente une extrémité amont (par rapport à la direction de l'écoulement du gaz) ayant la forme d'un dôme généralement hémisphérique que l'on appelle couramment la "tête" de la chambre de combustion. La tête de la chambre de combustion présente d'ordinaire une réserve dans sa zone centrale pour un conduit de diffusion du carburant qui est propre à Introduire un carburant convenable dans la chambre de combustion. On notera toutefois que d'autres moyens d'introduction du carburant peuvent être placés dans la zone centrale de la tête de combustion si on le désire. Ainsi on peut utiliser par exemple
ce qu'on appelle un vaporisateur de carburant.
La tête de la chambre de combustion doit être capable de supporter l'ambiance à haute température de la chambre de combustion pendant de longues périodes de temps sans connaître de dommage. Cela est réalisé d'ordinaire en faisant passer de l'air de refroidissement à travers la tête de la- chambré de.combustion, lorsque la chambre de combustion est en service, de sorte que le matériau.à partir duquel la tête est fabriquée, ne peut atteindre une température à laquelle il est 'susceptible de fondre ou de se fissurer par suite des contraintes thermiques. Une façon convenable et très connue de parvenir à cette fin
consiste à équiper la tête d'un certain nombre de dits "évasements".
Chaque évasement comprend plusieurs trous qui relient les faces amont et aval de la tête et plusieurs déflecteurs de forme adaptée qui dirigent l'air de refroidissement s'écoulant à travers les trous sur la face aval de la tête sous la forme de films, On attend de ces films d'air de
refroidissement de protéger la tête de la chambre de combustion vis-à-
vis du processus de combustion à haute température qui a lieu à l'intérieur de la chambre de combustion. Toutefois, pour y parvenir, il est nécessaire de disposer d'une relativement grande quantité d'air de refroidissement et cela peut avoir un effet contraire à l'efficacité de la combustion. D'autres inconvénients liés à l'utilisation' des évasements font intervenir des réductions locales dans l'écoulement de l'air de refroidissement par suite de la distorsion, de l'évasement, une favorisation de la combustion par l'air de refroidissement tandis que le processus de refroidissement de la tête est accentué et la difficulté rencontrée habituellement pour protéger la tête de la chaleur rayonnante
grâce au recours à des films d'air de refroidissement.
Une autre façon pour réaliser une tête de chambre de
1 5 combustion a recours au concept de refroidissement par transpiration.
Ainsi la tête est-elle faite de deux couches de matériau en feuille qui sont attachées ensemole et intègrent des passages d'air de refroidissement qui relient des ouvertures de la feuille amont à des ouvertures de la feuille aval. Les ouvertures dans les feuilles amont et aval ne sont' pas alignées de sorte que l'air de refroidissement s'écoule, sur de courtes distances dans la tête, dans des directions qui sont généralement transversales par rapport aux directions de l'air de
refroidissement entrant et sortant de la tête.
Tandis que le refroidissement par transpiration fait un usage plus économique de l'air de refroidissement et pallie certains inconvénients du refroidissement de la tête utilisant des évasements, les têtes qui utilisent le refroidissement par transpiration ont tendance à se fissurer. Une telle fissuration provient des importants gradients thermiques qui sont rencontrés dans les têtes de chambre de
combustion.
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Le but de la présente invention est de Tfournir une chambre de combustion adaptée aux moteurs à turbine à gaz dans laquelle les
inconvénients cités plus haut sont en grande partie évités.
Conformément à la présente invention, une chambre de combustion adaptée à un moteur à turbine à gaz comprend une paroi définissant au moins la plus grande partie de l'extrémité amont de ladite chambre de combustion, ladite paroi comprenant une première peau et une seconde de forme correspondante dans son ensemble et des moyens d'espacement associés auxdites peaux pour maintenir lesdites peaux à une certaine distance l'une de l'autre tandis qu'un espace est défini entre elles, la premières desdites peaux étant exposée, en cours de service, à une source de fluide de refroidissement sous pression et la seconde desdites peaux définissant une protion de la surface intérieure de ladite chambre de combustion, ladite première peau ayant plusieurs ouvertures permettant l'écoulement dudit fluide de refroidissement sous pression à l'intérieur dudit espace entre lesdites peaux, ladite seconde peau étant essentiellement continue et ayant un pourtour qui coopère avec ladite première peau pour définir un orifice d'échappement dudit fluide de refroidissement depuis ledit espace entre lesdites peaux vers l'intérieur
de ladite chambre de combustion.
L'invention va à présent être décrite, au moyen d'un exemple, en faisant référence aux-dessins joints sur lesquels: - la figure 1 est une vue de côté en coupe d'un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion conformément à la présente invention, - la figure 2 est une vue de côté en coupe d'une partie de l'extrémité amont d'une chambre de combustion. conformément à la présente invention, - la figure 3 illustre une partie de la chambre de combustion
montrée sur la figure 2.
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En se référant à la figure 1, un moteur à dérivation à turbine à gaz portant dans son ensemble le numéro 10 comprend, en série par rapport à l'écoulement axial, un compresseur 11 basses pressions, un compresseur 12 hautes pressions, un dispositif de combustion 13, une turbine 14 hautes pressions, une turbine 15 basses pressions et un conduit d'échappement 16. Le moteur 10 fonctionne de façon conventionnelle, l'air comprimé par les compresseurs 1 1 et 12 basses et hautes pressions étant mélangé au carburant dans le dispositif de combustion 13 et le mélange étant brûlé. Les gaz brûlés qui en résultent, se dilatant dans les turbines 14 et 15 hautes et basses pressions, qui entraînent respectivement les compresseurs 12 et 1 1 hautes et basses pressions, et sont évacués par le conduit d'échappement 16 pour fournir la poussée de propulsion. Une partie de l'air comprimé par le compresseur 11 basses pressions contourne le compresseur -12 hautes pressions, le dispositif de combustion 13, la turbine 14 hautes pressions et la turbine basses pressions 15 pour se mélanger aux gaz
d'échappement dans le conduit d'échappement 1 6.
Le dispositif de combustion 13 comprend plusieurs chambres de combustion '17 qui sont disposées circonférenciellement à égale distance les unes des. autres. Chaque chambre de combustion 17 comprend une extrémité amont 18 dans laquelle se trouve un conduit d'injection du carburant (non représenté) servant à l'introduction à l'intérieur de la chambre de combustion 17 d'un carburant convenable, qui peut être sous forme liquide ou gazeuse. l'extrémité amont d'une des chambres de combustion 17 est montrée avec plus de détails sur la
figure 2.
Sur la figure 2, on peut voir la ligne 19 centrale imaginaire de la chambre de combustion 17, une partie de la paroi de l'extrémité amont de la chambre de combustion ou tête 20 et une partie de la paroi latérale
de la chambre de combustion ou fût 21.
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La tête 20 de la chambre de combustion comprend une première et une seconde peaux 20 a et 20 b ayant une forme générale hémisphérique. La première peau 20 a se trouve en amont de la seconde peau 20 b et possède une ouverture dans sa zone centrale qui est limitée par une bague de centrage 22. De façon semblable, la seconde peau 20 b possède une ouverture dans sa zone centrale qui est limitée par une seconde bague de centrage 23. Toutefois la seconde bague de centrage 23 admet un diamètre inférieur à celui de la première bague de centrage 22 pour permettre la mise en place de la seconde bague 23'à l'intérieur de
la première bague 22.
La seconde peau 20 b est ainsi maintenue par rapport à la première peau 20 a par l'intermédiaire de l'interaction de leurs bagues
respectives 23, 22.
La seconde bague de centrage 23 porte plusieurs ailettes 24 de coupelles de turbulence dont les prolongements radialement intérieurs portent à leur tour une troisième bague de centrage 25 qui permet de supporter un conduit conventionnel d'injection du carburant (non représenté). Les première et seconde peaux 20 a et 20 b sont maintenues à une distance régulière l'une de l'autre grâce à plusieurs supports 27 cylindriques qui sont fixés à la seconde peau 20 b bien qu'on remarquera qu'il n'est pas nécessairement essentiel de maintenir une telle distance régulière. Toutefois les supports 27 dont quelques uns peuvent être vus plus en détail sur la figure 3, ne sont pas fixés à la première peau 20 a, mals ils s'appuient simplement contre elle. Ainsi un espace 28 est-il
défini entre les première et seconde peaux 20a et 20b de la tête 20.
La zone 29en amont de la tête 20 de la chambre de combustion est, en cours de service, alimentée en air sous pression par l'extrémité aval du compresseur 12 hautes pressions. L'air sous pression est en majeure partie transféré à l'intérieur de la chambre de combustion 17 de façon conventionnelle à travers les ailettes 24 de coupelles de
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turbulence et diffélrentes admissions d'air, tellés que celles montrées en 29, en passant par le fût 21 de la chambre de combustion. Toutefois, une certaine quantité de cet air sous pression pénètre dans l'espace 28 entre les première et seconde peaux 20a et 20b à travers plusieurs ouvertures 30 qui sont ménagées dans la première peau 20 a. La seconde peau 20 b est essentiellement continue et ne possède pas de.telles ouvertures 30 en correspondance. Cet air de refroidissement sert à s'assurer que la seconde peau 20 b, qui est directement exposée au processus de combustion ayant lieu en cours de service à l'intérieur de la chambre de combustion 17, est maintenue à une température
suffisamment basse.
Les ouvertures 30 ont des tailles et sont en nombre choisis pour tenir compte des flux de chaleur variables provenant de la chambre de combustion 17. Dans ce cas particulier, les ouvertures 30 qui. se trouvent le plus près de l'axe 19 de la chambre de combustion, admettent le plus grand diamètre tandis que les diamètres des ouvertures 30
restantes décroissent lorsqu'elles se trouvent plus éloignées de l'axe 19.
Puisque la première bague 23 est engagée dans la bague de centrage 22, le seul chemin pour l'air de refroidissement vers l'espace 28 est dia les ouvertures 30. Il s'ensuit que la variation de diarnmètre et l'emplacement des ouvertures 30 assurent que l'air de refroidissement est introduit de façon connue et progressive à l'intérieur de l'espace 28. Le degré effectif du contrôle de l'introduction est choisi de telle sorte que la vitesse de l'air de refroidissement à l'intérieur de l'espace 28 et par suite le taux selon lequel il évacue.la chaleur, sont suffisants pour maintenir la température de la peau intérieure 20 b à un niveau
suffisamment bas.
Les supports 27. servent aussi bien à maintenir l'espacement des peaux 20 a et 20 b qu'à assister la conduction de la chaleur émise par la peau intérieure 20 bet sont bien sûr refroidis par l'écoulement de l'air de refroidissement à l'intérieur de l'espace 28. Cela étant, le
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- 7 refroidissement de la peau intérieure 20 b est très efficace. Aussi n'est-il pas nécessaire de prévoir un refroidissement conventionnel par film d'air s'écoulant le long de la face de la peau 20 b située à l'intérieur
de la chambre de combustion 17.
Comme les supports 27 ne sont pas fixés à la première peau a mals s'appuient simplement contre elle, les gradients thermiques à l'intérieur de la tête 20 ne provoquent pas la fissuration des supports 27 ou bien des première et seconde peaux 20 a et 20 b par suite des contraintes thermiques. Lorsque des gradients thermiques se développent à l'intérieur de la tête 20, les supports 27 se contentent de
se déplacer par rapport à la première peau 20 a.
Le prolongement radialement extérieur de la première peau
a fait partie intégrante du fût 21 de la chambre de combustion.
Toutefois, le pourtour de la seconde peau 20 b est à une certaine
distance du fût 21 de sorte qu'un espace annulaire 31 existe entre eux..
L'espace 3I constitue un échappement pour l'air de refroidissement s'éco. ulant à l'intérieur et à travers l'espace-28 entre- les première et seconde peaux 20 a et 20 b jusqu'au sein de la chambre de combustion 1i 7. A la vérité l'air de refroidissement s'échappant de l'espace 3 I donne lieu dans une certaine mesure à un refroidissement par film de l'extrémité amont du fût 21. De plus il est peu vraisemblable que l'écoulement de l'air de refroidissement à travers l'espace 31 change dans le temps puisque les supports 27 assurent que l'espace 31i reste dans l'ensemble constant durant toute la vie de la chambre de
combustion 17.
On constatera donc que l.es chambres.de combustion 17 conformément à la présente invention sont résistantes aux dommages par suite des contraintes induites thermiquement et sont particulièrement efficaces par- rapport à -leur utilisation de l'air de refroidissement qui entraîne à son tour un accroissement correspondant
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du niveau d'efficacité vis-à-vis du fonctionnement de la chambre de
combustion 17.
Bien que la présente Invention ait été décrite en faisant référence à un moteur 10 à turbine à gaz muni d'un certain nombre de chambres de combustion 17 séparées, elle s'applique également à des moteurs à turbine à gaz possédant une unique chambre de combustion annulaire. Dans de telles circonstances, les première et seconde peaux a et 20 b ne sont pas nécessairement de structure hémisphérique en
forme de dôme.
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Claims (10)
1. Une chambre de combustion adaptée à un moteur à turbine à gaz comprenant une paroi limitant au moins la plus grande partie de l'extrémité amont de ladite chambre de combustion, ladite paroi comprenant une première et une seconde peaux de forme générale correspondante, ces peaux ayant chacune une configuration d'ensemble hémisphérique et étant maintenues à une certaine distance l'une de l'autre tandis qu'un espace est défini entre elles, caractérisée en ce que des moyens (27) d'espacement sont prévus- pour maintenir lesdites peaux (20-a, 20 b) à ladite distance l'une de l'autre, la première desdites peaux (20 a) étant exposée en cours de fonctionnement à une source de fluide de refroidissement sous pression, et la seconde desdites peaux (20b) définissant une partie de la surface interne de ladite chambre de combustion (17), ladite première peau (20 a) étant percée de plusieurs ouvertures (30) permettant l'écoulement dudit fluide de refroidissement sous pression à l'intérieur dudit espace (28) défini entre lesdites peaux (20 a, 20. b), ladite seconde peau (20 b) étant dans son ensemble continue et ayant un pourtour qui coopère avec ladite première peau (20 a) pour définir un échappement (31) pour l'évacuation dudit fluide de refroidissement hors dudit espace (28) entre lesdites peaux (20 a, 20 b) vers l'intérieur de ladite chambre de combustion (17.), chacune desdites première et seconde peaux (20 a, 20 b) étant munie d'une ouverture dans sa zone centrale et d'une bague-de centrage (22, 23) s'étendant axialement autour de son ouverture correspondante, la bague (23) de ladite seconde peau (20 b) se trouvant à l'intérieur et étant
supportée par la bague (22) de ladite première peau (20 a).
2. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens (.27)
d'espacement comprennent plusieurs supports.
3. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits supports (27) sont fixés
à ladite seconde peau (20 b).
4. une chambre de combustion telle que revendiquée dans l'une
quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite
chambre de combustion (17) présente une paroi longitudinale (21) et ladite première peau (20a) fait partie intégrante de ladite paroi longitudinale.
5. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que
lesdites ouvertures (30) dans ladite première peau (20a) ont des tailles différentes et sont disposées. de telle sorte que le fluide de refroidissement s'écoule de façon connue et progressive à l'intérieur
dudit espace (28) entre lesdites première et seconde peaux (20 a, 20 b).
6. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites ouvertures (30) ont des tailles qui décroissent progressivement d'autant plus qu'elles se trouvent éloignées de la ligne centrale imaginaire de ladite chambre de
combustion (17).
7. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites bagues (22, 23) se
prolongent dans une direction amont.
8. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que ladite bague (23) fixée à ladite seconde peau (20 b) porte plusieurs ailettes
(24) de coupelles de turbulence.
9. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit
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1 1 échappement (31) permettant l'évacuation'de l'air de refroidissement se trouve adjacent à la paroi latérale (21) de ladite chambre de combustion
(17) de façon à assurer un refroidissement par film fluide.
10. Une chambre de combustion telle que revendiquée dans
l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que
ledit fluide de refroidissement est de l'air.
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Patent Citations (3)
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