FR2920221A1

FR2920221A1 - Chambre de combustion avec deflecteurs

Info

Publication number: FR2920221A1
Application number: FR0757154A
Authority: FR
Inventors: Christophe Pieussergues; Denis Sandelis
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-02-27
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: FR2920221B1

Abstract

L'invention concerne une chambre de combustion (10) comportant une paroi annulaire (15) délimitant au moins partiellement cette chambre, la paroi annulaire présentant une multitude de passages (20), répartis sensiblement sur toute cette paroi, destinés à assurer le refroidissement de la chambre par circulation d'air au travers de ces passages. Chacun des passages (20) de la paroi annulaire (15) est délimité en aval par un bord aval (25) qui est un bord de la paroi annulaire, son orifice d'entrée (22) se situe dans le plan de la surface extérieure de la paroi annulaire et est délimité en aval par la partie extérieure du bord aval (25) du passage, et son orifice de sortie (24) est délimité par la partie intérieure du bord aval (25) et par le bord aval (35) d'un déflecteur (30) qui est constitué par le prolongement de la paroi annulaire (15) vers l'intérieur de la chambre et vers l'aval, ce déflecteur (30) étant apte à dévier l'air de l'extérieur vers l'intérieur et l'aval de la chambre (10).

Description

La présente invention concerne une chambre de combustion comportant une

paroi annulaire délimitant au moins partiellement cette chambre, la paroi annulaire présentant une multitude de passages, répartis sensiblement sur toute cette paroi, destinés à assurer le refroidissement de la chambre par circulation d'air au travers de ces passages. Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air le long de l'extérieur de la paroi annulaire de la chambre de combustion. Les termes "intérieur" et "extérieur" indiquent la région à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre de combustion, respectivement. Les chambres de combustion pour turbomachines actuelles sont typiquement délimitées par une paroi de fond comportant les injecteurs de carburant et les entrées d'air comburant, et par une paroi annulaire s'étendant dans la direction longitudinale de la chambre (qui correspond donc à la direction amont-aval), parallèle à l'axe de la turbomachine. Cette paroi annulaire peut par exemple être constituée de deux viroles. La chambre est fermée à son extrémité amont par la paroi de fond, et est ouverte à son extrémité aval, selon sa direction longitudinale, pour permettre l'évacuation des gaz brulés. La paroi annulaire est percée de très nombreux passages de petite taille (ou perforations) qui sont destinés à permettre l'entrée de micro-flux d'air à l'intérieur de la chambre de combustion, ces micro-flux d'air servant à refroidir la paroi annulaire pour lui permettre de résister aux températures élevées des gaz brulants dans la chambre de combustion. Ces passages sont typiquement inclinés de l'amont vers l'aval et l'intérieur de la chambre de combustion. Ils peuvent être des trous cylindriques, ou des fentes comme dans le brevet EP 0,752,560. Les passages ont typiquement des dimensions de l'ordre du millimètre.

Afin de réaliser un refroidissement suffisant et efficace de la paroi annulaire, les passages doivent être très nombreux, et être idéalement répartis sur toute la surface de la paroi annulaire. Le nombre de ces passages est au minimum 15 000, et peut aller jusqu'à 20 000 ou plus. Un grand nombre d'opérations est donc nécessaire afin de percer tous ces passages, d'où un coût et une durée de fabrication élevés. De plus, dans le cas où les trous sont de section cylindrique, ces percements sont

typiquement réalisés par impact laser, un procédé qui a l'avantage de permettre le perçage automatique de beaucoup de trous en moins de temps, mais qui génère des micro-criques démarrant au bord des trous. Ces micro-criques sont des points de départ potentiels de fissures qui, en se propageant sous l'effet des sollicitations thermiques et mécaniques, peuvent conduire à la ruine de la paroi annulaire. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, ou tout au moins à les atténuer. L'invention vise à proposer une chambre de combustion dont la paroi annulaire est refroidie de façon aussi efficace que les parois existantes tout en comportant un nombre de passages moindre, dont les passages sont moins susceptibles d'être des sources de propagation de fissures, et dont le coût de fabrication total est moindre. Ce but est atteint grâce au fait que chacun des passages de la paroi annulaire est délimité en aval par un bord aval qui est un bord de la paroi annulaire, en ce que son orifice d'entrée se situe dans le plan de la surface extérieure de la paroi annulaire et est délimité en aval par la partie extérieure du bord aval du passage, et en ce que son orifice de sortie est délimité par la partie intérieure du bord aval et par le bord aval d'un déflecteur qui est constitué par le prolongement de la paroi annulaire vers l'intérieur de la chambre et vers l'aval, ce déflecteur étant apte à dévier l'air de l'extérieur vers l'intérieur et l'aval de la chambre. Grâce à ces dispositions, l'air longeant la paroi annulaire de l'amont vers l'aval est guidé plus efficacement par les passages vers l'intérieur de la chambre de combustion, et à tendance à mieux longer l'intérieur de la paroi annulaire de la chambre. Le refroidissement de cette paroi par cet air pénétrant dans la chambre est donc plus efficace. En conséquence, le nombre de passages nécessaire pour obtenir un refroidissement de la paroi annulaire équivalent (au refroidissement obtenu avec une paroi annulaire existante) peut être fortement diminué. Ainsi, ce nombre peut être diminué dans un rapport entre 15 et 150, par exemple 100, c'est-à-dire que le nombre de passages à fabriquer dans la paroi annulaire est de 15 à 150 (par exemple 100) fois moins élevé que dans le cas d'une paroi percée de trous circulaires.

Il en résulte que le coût de la fabrication de la totalité de ces passages est diminué.

En outre, les passages ne se limitant pas à trous circulaires et présentant des dimensions plus importantes que les trous de l'art antérieur, leur réalisation n'est pas nécessairement effectuée par impact laser, et les bords de ces passages, après fabrication, sont moins susceptibles de comporter des micro-criques. L'invention concerne également un procédé pour la réalisation de passages dans la paroi annulaire d'une chambre de combustion. Selon l'invention, ce procédé comprend pour réaliser chaque passage, le perçage d'une fente traversant la paroi, la déformation de la région de la paroi annulaire située immédiatement en amont de cette fente vers l'intérieur de la chambre, de sorte que la région déformée forme un déflecteur unique apte à dévier l'air de l'extérieur vers l'intérieur et l'aval de la chambre de combustion. Par exemple, la déformation de la région déformée s'effectue par 15 emboutissage. Cette méthode permet une réalisation automatisée et donc plus rapide des passages. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation 20 représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue longitudinale d'une chambre de combustion selon l'invention, la figure 2 est une vue en perspective d'un passage de la paroi 25 annulaire d'une chambre de combustion selon l'invention, la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un passage de la paroi annulaire d'une chambre de combustion selon l'invention, la figure 4A est une vue en coupe transversale selon la ligne IV-IV de la figure 3, montrant un passage de la paroi annulaire d'une 30 chambre de combustion selon l'invention, la figure 4B est une vue similaire à celle de la figure 4A, montrant un autre mode de réalisation d'un passage de la paroi annulaire d'une chambre de combustion selon l'invention, la figure 5 est une vue radiale de l'extérieur d'une portion de la 35 paroi annulaire d'une chambre de combustion selon l'invention.

La figure 1 représente une chambre de combustion 10 de turbomachine. La chambre 10 est délimitée par une paroi de fond 12 comportant les injecteurs de carburant 13 et les entrées d'air comburant, et par une paroi annulaire 15 s'étendant dans la direction longitudinale (axe A sur la figure 1) de la chambre 10, parallèle à l'axe principal de la turbomachine (non-représenté). Cette paroi annulaire 15 est dans le cas représenté constituée d'une virole interne 151 et d'une virole externe 152, chaque virole étant annulaire et ayant pour axe de symétrie l'axe principal de la turbomachine, la virole interne étant plus proche de l'axe principal de la turbomachine. La chambre 10 est fermée à son extrémité amont par la paroi de fond 12, et est ouverte à son extrémité aval 17, selon sa direction longitudinale, pour permettre l'évacuation des gaz brulés. Comme expliqué plus haut, la paroi annulaire 15 est chauffée par les gaz brulés à haute température, et il est nécessaire de refroidir cette paroi annulaire 15. Pour ce faire, la paroi annulaire comporte sur toute sa superficie (ou sur la majeure partie de celle-ci) une multitude de passages 20. Par exemple, le nombre de passages 20 que comporte la paroi annulaire de la chambre est de l'ordre de 100 à 1000. Les passages 20 sont trop petits et trop nombreux pour être représentés sur la figure 1, leur structure est détaillée sur la figure 2 qui représente un de ces passages 20. Le passage 20 est représenté en perspective depuis l'intérieur de la chambre 10. Le passage 20 est délimité en aval par un bord aval 25, qui est constitué par une partie de la paroi annulaire 15. Typiquement, ce bord aval 25 du passage 20 se situe dans le plan de la paroi annulaire 15. Il s'agit du plan dans lequel s'étend la paroi annulaire 15 au voisinage immédiat du passage 20. En amont de ce bord aval 25 et latéralement, le passage 20 est délimité par un déflecteur 30 qui prolonge la paroi annulaire 15 vers l'intérieur de la chambre 10 et vers l'aval. Plus spécifiquement, ce déflecteur 30 peut être décrit comme suit : on part d'un trou dans la paroi annulaire 15, de forme allongée dans la direction amont-aval (par exemple de forme rectangulaire) dont le bord aval est le bord aval 25 du passage 20, et avec un bord amont 320, un premier bord latéral 330 qui joint une première extrémité du bord amont 320 à une première extrémité 251 du bord aval 25 du trou, et un second bord latéral 340 qui joint l'autre

extrémité du bord amont 320 à l'autre extrémité 252 du bord aval 25 du trou. Ce trou délimite l'orifice d'entrée d'air 22 du passage 20. La paroi annulaire 15 se prolonge, depuis le bord amont 320 du trou, vers l'intérieur et vers l'aval, pour former un prolongement amont 32. La paroi annulaire 15 se prolonge également, depuis le premier bord latéral 330 du trou, vers l'intérieur de la chambre 10 et vers le second bord latéral 340 du trou, pour former un premier prolongement latéral 33. La paroi annulaire 15 se prolonge également, depuis le second bord latéral 340 du trou, vers l'intérieur de la chambre 10 et vers le premier bord latéral 330 du trou, pour former un second prolongement latéral 34. Le prolongement amont 32, le premier prolongement latéral 33, et le second prolongement latéral 34 se rejoignent pour former ensemble le déflecteur 30, qui est donc constitué d'une paroi continue d'un seul tenant. Le déflecteur 30 a ainsi sensiblement la forme d'une écope dépassant de la paroi annulaire 15 vers l'intérieur de la chambre 10, et dont la partie convexe est tournée vers l'intérieur de la chambre 10. Comme représenté sur la figure 3, le passage 20 s'étend entre un orifice d'entrée d'air 22 qui se situe dans le plan P1 de la surface extérieure de la paroi annulaire 15, et un orifice de sortie d'air 24 qui se situe sensiblement dans un plan P2 passant par le bord aval 25 du passage 20 et légèrement incliné vers l'amont. Le bord aval 35 du déflecteur 30 se situe donc sensiblement dans ce plan P2 passant par le bord aval 25 du passage 20 et légèrement incliné vers l'amont. Plus précisément, cet orifice de sortie d'air 24 est délimité par la partie extérieure du bord aval 35 du déflecteur 30 et par la partie intérieure du bord aval 25 du passage 20. Le bord aval 35 du déflecteur 30 présente une forme incurvée et s'étend, vers l'intérieur de la chambre 10, depuis la première extrémité 251 du bord aval 25 du passage 20 jusqu'à l'autre extrémité 252 du bord aval 25 du passage 20.

Etant donné que le déflecteur 30 dépasse vers l'intérieur de la chambre 10 (et non pas vers l'extérieur de celle-ci), un premier passage 20 ne perturbe pas l'écoulement de l'air entrant dans un deuxième passage 20 situé immédiatement en aval de ce premier passage (alors qu'il y aurait perturbation si le déflecteur dépassait vers l'extérieur de la chambre). Le refroidissement de la paroi annulaire 15 s'effectue donc plus efficacement.

Le déflecteur 30 est typiquement réalisé de la façon suivante : on perce tout d'abord une fente au travers de la paroi annulaire 15, de telle sorte que la fente est sensiblement perpendiculaire à la direction amont-aval, c'est-à-dire perpendiculaire au sens normal d'écoulement de l'air le long de la paroi annulaire 15. Ce perçage peut être effectué par exemple par laser ou par usinage. Le bord aval de cette fente constitue le bord aval 25 du passage 20. Le bord aval 25 du passage 20 s'étend donc sensiblement perpendiculairement au sens normal d'écoulement de l'air le long de la paroi annulaire 15. L'air peut donc pénétrer plus aisément dans le passage 20. Le bord aval 25 du passage est par exemple rectiligne. Il peut également être incurvé vers l'amont de telle sorte que sa concavité est dirigée vers l'amont. Puis la région de la paroi annulaire 15 qui est située immédiatement en amont de cette fente est déformée vers l'intérieur de la chambre 10, et c'est cette région déformée par étirement (déformation plastique) qui constitue le déflecteur 30. Le passage 20 est ainsi réalisé. Cette déformation de la paroi annulaire 15 est réalisée par exemple par emboutissage. Ces opérations sont répétées en une multitude d'endroits sur la paroi annulaire 15, afin de réaliser une multitude de passages 20.

Le déflecteur 30 présente sensiblement la forme d'une partie de la paroi latérale d'un cylindre dont l'axe principal est incliné par rapport à la paroi annulaire 15, vers l'aval et vers l'intérieur de la chambre 10 (cet axe est ainsi perpendiculaire au plan P2 contenant l'orifice de sortie d'air 24 du passage 20). Selon la façon dont la déformation est réalisée (selon la forme de l'outil d'emboutissage par exemple), ce cylindre peut être de section circulaire (dans ce cas le bord aval 35 du déflecteur 30 est sensiblement un arc de cercle, comme représenté sur la figure 4A) ou de section polygonale (dans ce cas le bord aval 35 du déflecteur 30 est sensiblement polygonal, comme représenté sur la figure 4B).

Comme représenté sur la figure 3, la partie extérieure du bord aval 35 du déflecteur 30 peut comporter un chanfrein extérieur 37 (c'est-à- dire orienté plutôt vers l'extérieur de la chambre 10), et la partie intérieure du bord aval 25 du passage 20 peut comporter un chanfrein intérieur 27 (c'est-à-dire orienté plutôt vers l'intérieur de la chambre 10). Ces chanfreins peuvent être plans ou arrondis. Ils sont typiquement réalisés par enlèvement de matière sur le bord aval 35 du déflecteur 30 et sur le

bord aval 25 du passage 20, par exemple par ébavurage. Ainsi le bord aval 35 du déflecteur 30 et le bord aval 25 du passage 20 ne comportent pas de protubérances (qui pourraient résulter du processus de perçage de la fente 20), et l'écoulement du flux d'air (représenté par la flèche sur la figure 3) au travers de l'orifice de sortie d'air 24 du passage 20 n'est pas perturbé et vient refroidir la surface intérieure de la paroi annulaire 15 de façon plus efficace. Les passages 20 sont répartis sur toute la paroi annulaire 15 pour un refroidissement plus efficace. Alternativement, ils peuvent n'être répartis que sur la majeure partie de cette paroi annulaire 15. Les passages 20 sont par exemple répartis le long de plusieurs circonférences annulaires (Cl, C2, C3,...). Comme illustré sur la figure 5 qui représente une vue radiale partielle de l'extérieur d'une portion de la paroi annulaire 15, les passages 20 peuvent, le long de chaque circonférence annulaire, être régulièrement espacés (sur la figure 5, le sens d'écoulement de l'air, c'est-à-dire le sens amont-aval, est indiqué par une flèche). De plus, les passages 20 peuvent être décalés dans le sens circonférentiel d'une circonférence à l'autre de telle sorte qu'ils occupent sensiblement les sommets d'un maillage triangulaire équilatéral.

Le blocage des passages 20 est défini comme le rapport entre la largeur f d'un passage 20 (c'est-à-dire sa dimension circonférentielle) et la distance d entre deux passages 20 adjacents. Par exemple, le blocage peut être de 50%. La largeur f d'un passage 20 est par exemple comprise entre 10 mm et 30 mm, et sa longueur L (définie comme la longueur du déflecteur 30 entre son bord amont 320 et son bord aval 35) est par exemple compris entre 8 mm et 25 mm, pour une épaisseur de paroi annulaire comprise entre 1,5 mm et 2 mm. L'ouverture d'un passage est définie par l'angle d'ouverture a que fait le déflecteur 30 avec la paroi annulaire 15 (voir figure 3). Cet angle d'ouverture a est défini comme l'angle maximal que forme une droite joignant le bord amont 320 du déflecteur 30 et son bord aval 35 avec le plan de la paroi annulaire 15 autour de ce déflecteur 30. Cette droite est donc la droite qui relie le milieu du bord amont 320 du déflecteur 30 et le milieu de son bord aval 35 (en d'autres termes, cette droite se situe dans le plan de symétrie du déflecteur 30, qui s'étend dans la direction amont- aval). L'angle d'ouverture a est par exemple compris entre 3 et 20 , de

préférence compris entre 3 et 15 . Les essais effectués par les inventeurs ont révélés que pour des valeurs de l'angle d'ouverture a et de la largeur f d'un passage 20, et de la longueur L du déflecteur comprises dans les intervalles ci-dessus, le refroidissement de la paroi annulaire 15 est optimal. Alternativement, la partie centrale du déflecteur 30 (prolongement amont 32) peut être concave vers l'intérieur de la chambre 10 de telle sorte que cette partie centrale suit la concavité de la paroi annulaire 15, afin de garder une hauteur de l'orifice de sortie 24 constante.

La chambre de combustion décrite ci-dessus est une chambre de turbomachine. Cette chambre peut également constituer une chambre de combustion quelconque.

Claims

REVENDICATIONS

1. Chambre de combustion (10) comportant une paroi annulaire (15) délimitant au moins partiellement ladite chambre, ladite paroi annulaire (15) présentant une multitude de passages (20), répartis sensiblement sur toute ladite paroi annulaire, destinés à assurer le refroidissement de ladite chambre (10) par circulation d'air au travers desdits passages, chacun desdits passages (20) étant caractérisé en ce qu'il est délimité en aval par un bord aval (25) qui est un bord de la paroi annulaire (15), en ce que son orifice d'entrée (22) se situe dans le plan de la surface extérieure de la paroi annulaire (15) et est délimité en aval par la partie extérieure du bord aval (25) dudit passage (20), et en ce que son orifice de sortie (24) est délimité par la partie intérieure du bord aval (25) et par le bord aval (35) d'un déflecteur (30) qui est constitué par le prolongement de ladite paroi annulaire (15) vers l'intérieur de ladite chambre (10) et vers l'aval, ledit déflecteur (30) étant apte à dévier l'air de l'extérieur vers l'intérieur et l'aval de ladite chambre (10).

2. Chambre de combustion (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle d'ouverture a que fait ledit déflecteur (30) avec la paroi annulaire (15) est compris entre 3 et 20 .

3. Chambre de combustion (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la partie extérieure dudit bord aval (35) du déflecteur (30) comporte un chanfrein extérieur (37), et la partie intérieure dudit bord aval (25) du passage (20) comporte un chanfrein intérieur (27).

4. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit déflecteur (30) a sensiblement la forme d'une partie de la paroi latérale d'un cylindre dont l'axe principal est incliné par rapport à la paroi annulaire (15), vers l'aval et vers l'intérieur de la chambre (10).

5. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit bord aval (25) du passage (20) se situe dans le plan de ladite paroi annulaire (15).

6. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit bord aval (25) dupassage (20) s'étend sensiblement perpendiculairement au sens normal d'écoulement de l'air le long de ladite paroi annulaire (15).

7. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits passages (20) sont répartis le long de plusieurs circonférences annulaires.

8. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits passages (20) occupent sensiblement les sommets d'un maillage triangulaire équilatéral.

9. Turbomachine muni d'une chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.

10. Procédé pour la réalisation de passages (20) dans la paroi annulaire 15 d'une chambre de combustion 10, caractérisé en ce qu'il comprend pour réaliser chaque passage (20), le perçage d'une fente traversant ladite paroi annulaire (15), la déformation de la région de la paroi annulaire (15) située immédiatement en amont de ladite fente vers l'intérieur de ladite chambre (10), de sorte que ladite région déformée forme un déflecteur (30) apte à dévier l'air de l'extérieur vers l'intérieur et l'aval de ladite chambre de combustion (10).

11. Procédé selon la revendication (10) caractérisé en ce que la 20 déformation de ladite région déformée s'effectue par emboutissage.