FR2714154A1 - Chambre de combustion comportant une paroi munie d'une multiperforation. - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à une chambre de combustion délimitée par une paroi axiale (1) munie d'une "multiperforation (5)" et présentant une ouverture aval de sortie, les orifices (5) ayant un diamètre commun (D5) et étant disposés en rangées d'orifices (R1, R2, R3, R4,.... ) se succédant, les orifices des rangées d'ordres impairs (R1, R3,...) respectivement d'ordres pairs (R2, R4,...) étant alignés suivant des premières (CP1), respectivement deuxièmes (CP2) courbes principales, chaque courbe principale (CP1, CP2) présentant une inclinaison par rapport à la direction (4) d'écoulement du fluide. Selon l'invention, par rapport à l'intersection (A305, A405) d'une ligne droite parallèle (L4) à la direction (4) passant par l'axe (A5) d'un premier orifice (5) d'une première rangée (R1, R2) avec l'axe d'une deuxième rangée adjacente (R3, R4) de même ordre, l'axe (A5) du deuxième orifice (5) appartenant à la deuxième rangée (R3, R4) et situé sur la courbe principale (CP1, CP2) sur laquelle est placé l'axe du premier orifice est écarté de ladite intersection d'une distance (E305, E405) comprise entre 0,5 et 1 fois le diamètre commun (D5). Une application est la réalisation d'une chambre de combustion à rendement élevé.

Description

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Parmi les techniques antérieures connues, utilisées pour le refroidissement des parois de chambres de combustion et des chemises de protection thermique des canaux de réchauffe de turboréacteurs, la technique de refroidissement par

multiperforation est largement utilisée.

Cette technique consiste à faire pénétrer de l'air, plus généralement du comburant relativement frais au travers d'une multitude de petits orifices usinés

dans les parois à refroidir.

Pour une perméabilité de refroidissement optimisée, la maille formée par

les orifices est, en règle générale, celle représentée sur la figure 1.

Pour cette maille, dite "conventionnelle", le débit de refroidissement local (sortie de chambre) est hétérogène et périodique en fonction de la position des orifices qui sont alignés suivant l'axe du moteur, parallèlement à l'écoulement de l'air, le débit maximal étant naturellement situé en aval de l'alignement des percçages. Par ailleurs, les chambres de combustion et les chemises de protection thermique des turboréacteurs sont réalisées par juxtaposition de viroles en tôle réalisées par roulage, puis soudage. Les tôles préparées pour réaliser ces viroles ont leurs extrémités coupées à angle droit, ce qui impose un cordon de soudure orthogonal aux bords amont et aval de la virole, donc parallèle à l'axe moteur et à

l'écoulement de l'air de refroidissement.

Lorsque ces viroles sont multiperforées pour les besoins de refroidissement, du fait du faible écartement des orifices, il est fréquent qu'une rangée axiale d'orifices soit usinée à l'emplacement du cordon de soudure, ce qui est préjudiciable à la bonne tenue mécanique de la virole. La rangée axiale d'orifices correspondant au cordon de soudure pourrait être supprimée, mais ceci aurait pour but de créer un sillage dans le plan circonférentiel, préjudiciable en sortie de chambre. Enfin, dans les foyers des chambres de combustion des turboréacteurs, les températures évoluent entre le fond de chambre et la sortie de chambre. Les viroles constituant la chambre sont généralement coniques pour les viroles internes et cylindriques pour les viroles externes. Le refroidissement de ces viroles par multiperforations doit être adapté aux différentes températures régnant dans la chambre. La présente invention propose:

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- d'améliorer l'homogénéisation du débit de refroidissement en décalant successivement les rangées d'orifices; - de disposer le cordon de soudure de manière oblique par rapport à l'écoulement de l'air de refroidissement; et, - une évolution axiale de la perméabilité des viroles. L'invention est donc relative à une chambre de combustion, notamment de turbomachine, possédant un axe de symétrie, qui est délimitée par au moins une paroi axiale munie d'une pluralité d'orifices traversant constituant une "multiperforation" destinée, notamment, au passage d'un fluide de réfrigération de ladite paroi axiale, et, par un fond transversal par rapport audit axe de symétrie et situé en amont par rapport au sens général d'écoulement du fluide de réfrigératiorr, et, qui présente une ouverture aval de sortie, lesdits orifices ayant un diamètre commun déterminé et étant disposés en rangées d'orifices d'ordres pairs et d'ordres impairs qui se succèdent alternativement de l'amont vers l'aval en étant chacune sensiblement orthogonale audit axe de symétrie, les orifices des diverses rangées d'ordres impairs étant alignés suivant des premières courbes principales longitudinales, éventuellement rectilignes, de même que les orifices des diverses rangées d'ordres pairs sont alignés suivant des deuxièmes courbes principales longitudinales, éventuellement rectilignes, et, chaque première, respectivement chaque deuxième courbe principale présentant une inclinaison principale par

rapport à la direction générale d'écoulement du fluide de réfrigération.

Selon l'invention, par rapport à l'intersection d'une ligne droite parallèle à la direction générale d'écoulement du fluide de réfrigération, passant par l'axe d'un premier orifice appartenant à une première rangée d'ordre impair, respectivement d'ordre pair, avec l'axe d'une deuxième rangée de même ordre immédiatement adjacente de ladite première rangée, l'axe du deuxième orifice appartenant à ladite deuxième rangée et situé sur la première, respectivement deuxième courbe principale sur laquelle est placé l'axe du premier orifice est écarté de ladite intersection d'une distance comprise entre 0,5 et 1 fois ledit diamètre commun des

orifices, cet écart réalisant ladite inclinaison principale.

Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées: - les orifices des diverses rangées sont alignés suivant des courbes secondaires, éventuellement rectilignes, cependant que, ladite paroi axiale

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comportant au moins plusieurs lisières qui s'étendent chacune de l'amont vers l'aval et qui sont réunies deux à deux par des joints de soudure, ledit joint de soudure s'étend parallèlement à l'une desdites courbes secondaires; - ledit joint de soudure s'étend entre deux desdites courbes secondaires, en un emplacement de la paroi exempt d'orifices; - le joint de soudure s'étend le long d'une courbe de jonction qui est parallèle auxdites courbes secondaires, en en étant sensiblement équidistante, et qui est écarté de chacune des courbes secondaires immédiatement adjacentes d'une distance égale à celle séparant deux courbes secondaires consécutives; - la densité des orifices décroît en s'écartant du fond vers l'ouverture de sortie, le nombre d'orifices par rangée étant sensiblement constant et lesdites premières, respectivement deuxièmes courbes principales étant continues, cependant que, ladite paroi axiale étant tronconique, le rapport de la distance séparant deux orifices successif d'une même rangée divisée par la distance séparant deux rangées successives, l'une d'ordre pair, l'autre d'ordre impair, est constant; la densité des orifices décroît en s'écartant du fond vers l'ouverture de sortie, le nombre d'orifices par rangée étant sensiblement constant et lesdites premières, respectivement deuxièmes courbes principales étant continues, cependant que, ladite paroi axiale étant cylindrique, le rapport de la distance séparant deux orifices successifs d'une même rangée divisée par la distance séparant deux rangées successives, l'une d'ordre pair, l'autre d'ordre impair, croît de l'ouverture de sortie vers le fond, ledit rapport étant de préférence au plus égal à 0,3. L'avantage principal de l'invention réside dans l'obtention d'une homogénéité améliorée du refroidissement de la paroi de la chambre de

combustion et d'un rendement élevé de la combustion.

L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et

leurs avantages apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-

dessous à titre d'exemple.

I1 est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre

indicatif et non limitatif.

Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels:

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- la figure 1 représente un exemple d'une multiperforation connue, complété par le diagramme de température immédiatement en aval de ladite multiperforation; - la figure 2 représente une multiperforation dont est munie une paroi de chambre de combustion conforme à l'invention; - la figure 3 représente un aspect complémentaire de la paroi de la figure 2; les figures 4 et 5 sont des diagrammes représentant l'évolution de la température et de la perméabilité de multiperforation dans des chambres de combustion conformes, d'une part à la technique antérieure connue, d'autre part, à

l'invention.

Il convient d'abord d'indiquer que la portée de l'invention comprend l'équipement en multiperforation des parois délimitant toutes les enceintes dans lesquelles règne une température élevée, qu'il s'agisse des chambres de combustion

proprement dites de turboréacteurs, qu'il s'agisse aussi des chambres de post-

combustion, dans lesquelles est réalisée une combustion, génératrice de

températures élevées, ou qu'il s'agisse d'enceintes analogues.

La figure 1 représente la paroi 1, axiale, par exemple cylindrique d'axe de symétrie 2, qui s'étend entre le fond 3 d'une chambre de combustion, situé en amont par rapport au sens général 4 d'écoulement d'un fluide de réfrigération de la paroi 1, et, l'ouverture aval de sortie de la chambre, contenue dans le plan S, la paroi 1, généralement complétée par une deuxième paroi axiale, et le fond 3

coopérant, ensemble à délimiter une enceinte annulaire de combustion.

Selon la technique connue, la paroi 1 est traversée par une multitude de petits trous à travers lesquels un fluide de réfrigération, également comburant, généralement de l'air comprimé, pénètre dans l'enceinte de la chambre de combustion en réfrigérant ladite paroi. Les orifices 5 de ces trous sont répartis en rangées successives Ri, R2, R3, R4, etc...., chacune sensiblement contenue dans un plan transversal perpendiculaire à l'axe 2, donc aussi au sens d'écoulement 4 du fluide de réfrigération qui y est parallèle. Les rangées se succèdent les unes aux autres, une d'ordre pair R2 succédant à une d'ordre impair R1, puis une d'ordre impair R3 succédant à R2, et ainsi de suite, de l'amont vers l'aval. Par ailleurs, les orifices 5 sont disposés en quinconce, certains étant alignés suivant des premières courbes principales CP1, parallèles au sens d'écoulement 4, certains autres étant alignés suivant des deuxièmes courbes principales CP2, également parallèles au

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sens d'écoulement 4, en étant intercalées altemrnativement, chaque courbe CP2 entre deux courbes CP1, et vice versa. Dans l'ensemble représenté, d'une paroi 1 sensiblement cylindrique d'axe 2, les courbes CP1 et CP2 sont rectilignes. Ces courbes CP1, CP2 sont interceptées par le plan S de l'ouverture de sortie. Du fait que les orifices 5 sont disposés en quinconce, et que le plan S est perpendiculaire à l'axe 2, les orifices 5 de l'avant dernière et de la dernière rangée d'orifices (les deux plus proches du plan S), sont à distances différentes du plan S, si bien qu'aux points d'interceptions P2 des courbes principales sur lesquelles sont situés les orifices 5 les plus proches du plan S, la réfrigération est plus efficace qu'au point d'interception P1 des autres courbes principales. La température T dans le plan S, en regard de la paroi 1, est variable entre une valeur T2, et une valeur Tl supérieure à T2, ceci en fonction des abscisses Y des points P1, P2. Il est évidemment souhaitable de tenter de rendre constante cette température dans le

plan P. Pour ce faire, la disposition de la figure 2 est préconisée.

Dans cette disposition conforme à l'invention, on retrouve les rangées d'ordres impairs RI, R3, R5,....., et les rangées d'ordres pairs R2, R4, R6,...., ainsi que les premières courbes principales CP1 et les deuxièmes courbes principales CP2, ici rectilignes. Les axes A5 des orifices 5 sont disposés aux intersections des courbes principales et des rangées. Les rangées sont contenues, chacune, dans un plan transversal perpendiculaire au sens général 4 d'écoulement du fluide de réfrigération. Par contre, les courbes principales CP1 et CP2 sont légèrement inclinées par rapport au sens 4, ou encore par rapport à des lignes droites L4 parallèles au sens 4, passant par les axes A5 des orifices 5 appartenant à la première rangée R1 d'ordre impair, et, à la première rangée R2 d'ordre pair. Ces légères inclinaisons résultent de déplacements des orifices 5 d'une rangée par rapport aux orifices 5 des rangées de même ordre (pair, ou impair) précédant et/ou succédant immédiatement à ladite rangée. Ainsi: - l'écart de position E305, de l'axe A5 d'un orifice A5 de la rangée R3 (deuxième rangée d'ordre impair) par rapport à l'intersection A305 de cette rangée R3 avec la ligne L4 passant par l'axe A5 d'un orifice 5 de la rangée Ri (première rangée d'ordre impair), définit l'inclinaison de la courbe CP1, sur laquelle sont disposés les deux axes A5 précités, par rapport à la ligne L4; - un écart de position E405, égal à E305, existe de même entre l'axe A5 d'un orifice 5 de la rangée R4 (deuxième rangée d'ordre pair) et l'intersection A405

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de cette rangée R4 avec la ligne L4 passant par l'axe A5 d'un orifice A5 de la rangée R2 (première rangée d'ordre pair), la courbe CP2 passant par les deux axes A5 précités et supportant tous les axes A5 des orifices 5 qui sont obliques sur cette courbe; - les écarts E305 et E405 ont pour valeurs: 0,5 X D5 <E305 < 1 X D5; et,

0,5 X D5 <E405 < 1 X D5;

D5 étant le diamètre commun des orifices 5; - par ailleurs l'axe A5 d'un orifice 5 d'une rangée (d'ordre pair ou impair) peut, par rapport à la position A205 équidistante de deux axes A5 de la rangée immédiatement précédente, avoir également un écart E205, qui est moitié de

chacun des écarts précédents E305 et E405.

Les inclinaisons des courbes CP1 et CP2 par rapport aux lignes L4 sont faibles, mais permettent cependant un chevauchement de leurs zones d'impact dans le plan S, qui supprime, ou au moins réduit les inégalités des températures T1 et T2

de la figure 1.

La figure 3 représente une disposition complémentaire. Les premières et deuxièmes courbes principales CP1 et CP2 qui y sont repérées, présentent comme sur la figure 2, une légère inclinaison par rapport au sens d'écoulement 4. Mais les axes A5, des orifices 5 qu'elles supportent, sont en outre alignés suivant des courbes (ici rectilignes) secondaires parallèles CS notablement inclinées par rapport au sens d'écoulement 4. La paroi 1 est formée par une ou plusieurs tôles roulées qui sont assemblées par une soudure 6 de deux lisières B1, B2 qui délimitent ces tôles et ont été rapprochées pour ce faire. Les lisières B1, B2 n'ont pas été placées au hasard: elles sont parallèles aux courbes CS, et, en fait, sont placées à une distance DB1, DB2 de la courbe CS la plus proche qui est égale à la distance DCS séparant deux courbes secondaires successives CS. De plus, aux emplacements des lisières B1, B2, la paroi 1 est exempte d'orifices 5. Ainsi, à l'emplacement de la soudure 6, la paroi 1 n'est pas affaiblie par des trous traversants. De plus, l'inclinaison des courbes secondaires CS par rapport au sens d'écoulement 4, notable par ailleurs, évite, dans le plan S, d'avoir une discontinuité importante et gênante en ce qui concerne l'effet réfrigérant de l'écoulement du

comburant de réfrigération à travers les orifices 5.

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En revenant à la figure 2, il est possible de définir le pas circonférentiel PC comme étant la distance séparant les axes A5 de deux orifices 5 successifs d'une même rangée, et le pas axial PA comme étant la distance séparant deux rangées

successives (une rangée d'ordre pair et une rangée d'ordre impair).

Selon l'invention, la densité des orifices 5 décroît, et également la perméabilité de la paroi 1 décroît lorsque croit la distance séparant la zone

considérée de la paroi du fond 3 de la chambre.

Les règles suivantes sont de préférence adoptées: - dans le cas d'une paroi axiale 1, de forme sensiblement tronconique d'axe 2, le rapport PC/PA du pas circonférentiel divisé par le pas axial est sensiblement constant; - dans le cas d'une paroi axiale 1, de forme sensiblement cylindrique d'axe 2, le rapport PC/PA croit de l'ouverture de sortie contenue dans le plan S vers le fond 3 de la chambre de combustion; - ce rapport PC/PA est généralement au plus égal à 0,3; - de plus, dans les deux configurations précitées de parois tronconiques ou cylindriques, le nombre d'orifices 5 par rangée est sensiblement constant, les premières et deuxièmes courbes principales CP1 et CP2 étant en outre

sensiblement continues.

Les courbes de la figure 4 représentent les variations de la perméabilité PERM de la paroi 1 en fonction de la distance axiale X, entre le fond 3 et le plan S de l'ouverture de sortie. La courbe PERM/A, en traits continus, représente une valeur sensiblement constante PERM3 de la perméabilité, égale à la perméabilité d'une paroi 1 dans la zone du fond 3 de la chambre de combustion: la courbe PERM/A correspond à une configuration connue avant l'invention. La courbe PERM/B, en traits interrompus, représente une valeur de la perméabilité d'une paroi 1 conforme à l'invention, variable entre une valeur inférieure PERMS de la perméabilité de cette paroi dans la zone du plan S de l'ouverture de sortie, et, la valeur supérieure PERM3 de la perméabilité dans la zone du fond 3 de la chambre

de combustion.

Les courbes de la figure 5 représentent les variations de la température TE des gaz traversant l'ouverture de sortie du plan S en fonction de la distance radiale H par rapport à l'axe 2. Avant l'invention, la température variait entre TS2 et TS1, pour redevenir égale à TS2, lorsque la distance H variait entre sa valeur minimale

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H1 et sa valeur maximale H2 (courbe TSA en traits continus). La courbe TSB, en traits interrompus, représente une valeur de la température TS sensiblement constante, égale à TSM (valeur moyenne), et correspond à l'adoption de parois 1

conformes à l'invention.

Les dispositions conformes à l'invention sont avantageuses, car elles coopèrent à l'obtention d'une répartition homogène des températures, notamment dans les zones sensibles des parois axiales 1, et, permettent de réduire ou de supprimer les crêtes de températures, y compris dans les zones des soudures S, avec finalement, l'obtention d'une durée de vie accrue des parois 1 et d'un rendement élevé de la combustion, les températures maximales permises ayant pu

être augmentées.

L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient leur être apportées sans sortir de leur

cadre ni de leur esprit.

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Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Chambre de combustion, notamment de turbomachine, possédant un axe de symétrie (2), qui est délimitée par au moins une paroi axiale (1) munie d'une pluralité d'orifices (5) traversant constituant une "multiperforation" destinée, notamment, au passage d'un fluide de réfrigération de ladite paroi axiale, et, par un fond (3) transversal par rapport audit axe de symétrie et situé en amont par rapport au sens général (4) d'écoulement du fluide de réfrigération, et, qui présente une ouverture aval de sortie (3), lesdits orifices (5) ayant un diamètre commun déterminé (D5) et étant disposés en rangées d'orifices d'ordres pairs (R2, R4,...) et d'ordres impairs (Rl, R3,...) qui se succèdent alternativement de l'amont vers l'aval en étant chacune sensiblement orthogonale audit axe de symétrie (2), les orifices (5) des diverses rangées d'ordre impairs (Rl, R3,...) étant alignés suivant des premières courbes principales longitudinales (CP1), éventuellement rectilignes, de même que les orifices (5) des diverses rangées d'ordres pairs (R2, R4,... .) sont alignés suivant des deuxièmes courbes principales longitudinales (CP2), éventuellement rectilignes, et, chaque première (CP1), respectivement chaque deuxième (CP2) courbe principale présentant une inclinaison principale par rapport à la direction générale (4) d'écoulement du fluide de réfrigération, caractérisé en ce que, par rapport à l'intersection (A305, A405) d'une ligne droite (L4) parallèle à la direction générale (4) d'écoulement du fluide de réfrigération, passant par l'axe (A5) d'un premier orifice (5) appartenant à une première rangée d'ordre impair (R1), respectivement d'ordre pair (R2), avec l'axe d'une deuxième rangée (R3, R4) de même ordre immédiatement adjacente de ladite première rangée, l'axe (A5) du deuxième orifice appartenant à ladite deuxième rangée (R3, R4) et situé sur la première (CP1), respectivement deuxième (CP2) courbe principale sur laquelle est placé l'axe du premier orifice est écarté de ladite intersection d'une distance (E305, E405) comprise entre 0,5 et 1 fois ledit diamètre

commun (D5) des orifices (5), cet écart réalisant ladite inclinaison principale.

2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que les orifices (5) des diverses rangées sont en outre alignés suivant des courbes secondaires (CS), éventuellement rectilignes, cependant que, ladite paroi axiale (1) comportant au moins plusieurs lisières (B1, B2) qui s'étendent chacune de l'amont (3) vers l'aval (S) et qui sont réunies deux à

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deux par des joints de soudure (6), ledit joint de soudure (6) s'étend parallèlement à

l'une desdites courbes secondaires (CS).

3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit joint de soudure (6) s'étend entre deux desdites courbes secondaires (CS), en un emplacement de la paroi exempt d'orifices.

4. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 2 et 3,

caractérisée en ce que le joint de soudure (6) s'étend le long d'une courbe de jonction qui est parallèle auxdites courbes secondaires (CS), en en étant sensiblement équidistante (DB1, DB2), et qui est écarté de chacune des courbes secondaires (CS) immédiatement adjacentes d'une distance (DB1, DB2) égale à

celle (DCS) séparant deux courbes secondaires consécutives (CS).

5. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisée en ce que la densité des orifices décroit en s'écartant du fond (3) vers l'ouverture de sortie (S), le nombre d'orifices (5) par rangée étant sensiblement constant et lesdites premières, respectivement deuxièmes courbes principales (CP1, CP2) étant continues, cependant que, ladite paroi axiale (1) étant tronconique, le rapport (PC/PA) de la distance (PC) séparant deux orifices successifs (5) d'une même rangée (R1, R2) divisée par la distance (PA) séparant deux rangées successives (R1, R2), l'une d'ordre pair, l'autre d'ordre impair, est

constant.

6. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisée en ce que la densité des orifices décroît en s'écartant du fond (3) vers l'ouverture de sortie (S), le nombre d'orifices (5) par rangée étant sensiblement constant et lesdites premières, respectivement deuxièmes courbes principales (CP1, CP2) étant continues, cependant que, ladite paroi axiale étant cylindrique, le rapport (PC/PA) de la distance séparant deux orifices successifs (5) d'une même rangée (Rl, R2) divisée par la distance (PA) séparant deux rangées successives (R1, R2), l'une d'ordre pair, l'autre d'ordre impair, croît de l'ouverture

de sortie (S) vers le fond (3).

7. Chambre de combustion selon la revendication 6,

caractérisée en ce que ledit rapport (PC/PA) est au plus égal à 0,3.