FR2922939A1 - Turbomachine comprenant un diffuseur - Google Patents
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Abstract
Turbomachine comprenant :- un compresseur centrifuge (110);- une chambre de combustion annulaire (140) située à l'arrière de ce compresseur; et- un diffuseur annulaire (120) permettant de diffuser le courant de gaz sortant du compresseur et de diriger ce courant de gaz vers la chambre de combustion, ce diffuseur comprenant : une partie amont (121) raccordée à la sortie du compresseur, une partie intermédiaire coudée (124), et une partie aval (125);dans laquelle, ladite partie aval (125) est orientée vers la chambre de combustion (140) et dans laquelle, dans un plan de coupe contenant l'axe (A) de la turbomachine, au moins la portion extérieure de ladite partie amont (121) est inclinée par rapport à la direction perpendiculaire à l'axe (A) de la turbomachine, vers l'avant, de sorte que le diffuseur (120) a une forme générale en col de cygne.
Description
L'invention concerne une turbomachine. Elle se destine à tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et plus particulièrement aux turboréacteurs d'avion. Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport 5 au sens d'écoulement normal du gaz (généralement de l'air) à travers la turbomachine. Par ailleurs, on appelle axe de la turbomachine, l'axe de rotation du rotor de la turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, et une direction radiale est une direction 10 perpendiculaire à cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe de la turbomachine et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Sauf précision contraire, les adjectifs intérieur/interne et extérieur/externe sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte 15 que la partie intérieure/interne (i.e. radialement intérieure) d'un élément est plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie extérieure/externe (i.e. radialement extérieure) du même élément. Enfin, sauf précision contraire, les adjectifs avant et arrière sont utilisés en référence à l'avant et à l'arrière de la turbomachine (les gaz 20 entrant par l'avant et sortant par l'arrière de la turbomachine). Ainsi, la partie (ou la face) avant d'un élément est plus proche de l'avant de la turbomachine que la partie (ou la face) arrière du même élément. L'invention concerne une turbomachine du type comprenant: - un compresseur centrifuge; 25 - une chambre de combustion annulaire située à l'arrière de ce compresseur; et -un diffuseur annulaire permettant de diffuser le courant de gaz sortant du compresseur et de diriger ce courant de gaz vers la chambre de combustion, ce diffuseur comprenant : une partie amont raccordée à la 30 sortie du compresseur, une partie intermédiaire coudée, et une partie aval. Un compresseur centrifuge comprend un rouet centrifuge qui permet d'accélérer le gaz qui le traverse et, donc, d'accroître l'énergie cinétique de ce gaz Un diffuseur présente un espace annulaire entourant le compresseur. Un diffuseur sert à réduire la vitesse du gaz quittant le compresseur et, de ce fait, à accroître la pression statique de ce gaz. Les diffuseurs peuvent être du type à aubes ou du type à conduits.
Ces deux types de diffuseur comprennent généralement une partie amont annulaire qui présente une série de passages de diffusion raccordés à la sortie du compresseur pour récupérer le gaz accéléré sortant de ce dernier. Ces passages de diffusion ont une section qui s'accroît progressivement de l'intérieur vers l'extérieur afin de diffuser le courant de gaz sortant du compresseur. Les diffuseurs du type à aubes utilisent une série d'aubes de diffusion espacées circulairement et formant entre elles les passages de diffusion. Dans les diffuseurs du type à conduits, les passages de diffusion sont constitués par des éléments de tuyaux ou conduits formés par exemple entre deux plaques opposées jointes.
Classiquement, la partie amont des diffuseurs est orientée radialement. En aval de ladite partie amont, les diffuseurs comprennent une partie intermédiaire annulaire coudée, pour courber le trajet d'écoulement du diffuseur et ramener l'écoulement de gaz en direction de la chambre de combustion.
En aval de cette partie intermédiaire, les diffuseurs comprennent une partie aval annulaire. Généralement, cette partie aval comprend une série d'aubes de redressement circulairement espacées, permettant de "redresser" l'écoulement de gaz, c'est-à-dire réduire la giration de l'écoulement de gaz sortant des passages de diffusion.
La figure 1 représente de manière schématique, en demi-coupe axiale, le compresseur 10, le diffuseur 20 et la chambre de combustion 40 d'un exemple connu de turboréacteur d'avion. La chambre de combustion 40 est délimitée par une paroi intérieure annulaire 41, une paroi extérieure annulaire 42 et une paroi de fond annulaire, ou fond de chambre 45. Ce fond de chambre 45 est disposé entre les parois intérieure et extérieure 41, 42, dans la région amont de ladite chambre. Le fond de chambre 45 et les parois 41, 42 présentent des rebords de fixation par lesquels ils sont fixés ensemble. Par ailleurs, le fond de chambre 45 présente des ouvertures réparties circonférencielle en dans lesquelles sont montés des systèmes d'injection 47. Chaque système d'injection 47 est alimenté en gaz (i.e. en air) par le diffuseur 20, et en carburant par un injecteur de carburant 48. Chaque système d'injection 47 présente des passages d'admission de gaz qui sont généralement des vrilles, c'est-à-dire des passages annulaires à l'intérieur desquels s'étendent une série d'aubes permettant d'imprimer un mouvement de rotation au gaz qui les traverse. Ce gaz permet de pulvériser le carburant apporté par l'injecteur 48 avant qu'il soit brûlé dans la chambre de combustion 40. La qualité de la pulvériserisation du carburant est un paramètre important qui influe, en particulier, sur les émissions de gaz polluants (notamment des oxydes d'azote ou "NOx" et des fumées, dangereux pour la santé et l'environnement) en sortie de chambre.
La chambre de combustion 40 comprend également un carénage annulaire 49 destiné à recouvrir l'avant du fond de chambre 45. Ce carénage 49 est fixé de part et d'autre du fond de chambre 45. Il présente des ouvertures pour permettre le passage des injecteurs 48 de carburant. Le carénage 49 peut être en deux parties intérieure 49a et extérieure 49b séparées, et dans ce cas les parties 49a, 49b sont appelées "casquettes". Au contraire, les deux parties intérieure 49a et extérieure 49b peuvent être reliées entre elles et, dans ce cas, le carénage 49 est dit "monobloc". La figure 2 est une vue en perspective du diffuseur 20 de la figure 1. Le diffuseur 20 comprend : une partie amont 21 orientée radialement qui présente des passages de diffusion 22 définis entre des aubes de diffusion 23; une partie intermédiaire 24 coudée à 90°; et une partie aval 25 comprenant une série d'aubes 26 de redressement circulairement espacées, l'axe moyen M de cette partie aval 25 étant parallèle à l'axe A de la turbomachine.
Ce diffuseur 20 a pour inconvénient de ne pas alimenter correctement en gaz les systèmes d'injection 47, de sorte que la pulvérisation du carburant dans ces systèmes d'injection est mauvaise. Par voie de conséquence, la production d'émissions gazeuses polluantes en sortie de chambre est importante 4 L'invention a pour objectif de remédier à cet inconvénient. Cet objectif est atteint grâce à une turbomachine du type précité, dans laquelle, la partie aval du diffuseur est orientée vers la chambre de combustion, et dans laquelle, dans un quelconque plan de coupe contenant l'axe de la turbomachine (i.e. un plan de coupe axial), au moins la portion extérieure (i.e. la portion radialement extérieure) de ladite partie amont est inclinée par rapport à la direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine (i.e. la direction radiale), vers l'avant de la turbomachine, de sorte que le diffuseur a une forme générale en col de cygne. Cette forme générale en col de cygne permet de ne pas dévier brusquement l'écoulement de gaz traversant le diffuseur et donc de limiter les pertes de charge dans cet écoulement. Cette diminution des pertes de charge dans le diffuseur améliore l'alimentation en gaz des systèmes d'injection de la chambre de combustion et, donc, de diminuer les émissions polluantes en sortie de chambre. Selon un mode de réalisation, la partie aval du diffuseur est évasée vers l'aval, ce qui permet d'alimenter en gaz, de façon symétrique, les zones de contournement externe et interne de la chambre (ce qui facilite la maîtrise du profil de température en sortie de chambre) et ainsi de garantir une bonne alimentation en gaz des zones de contournement interne et externe (ce qui garantit un bon refroidissement des parois intérieure et extérieure de la chambre) et des taux de surpression équilibrés sur les viroles.
Selon un mode de réalisation, dans ledit plan de coupe axial, l'axe moyen de la partie aval du diffuseur, passe par le fond de la chambre de combustion, entre le rayon maximum et le rayon minimum du fond de chambre. Préférentiellement, dans un quelconque plan de coupe axial passant par le centre d'un des systèmes d'injection montés sur ledit fond de chambre, l'axe moyen de la partie aval du diffuseur passe par ledit système d'injection. Une telle orientation de la partie aval du diffuseur par rapport à la chambre de combustion constitue un perfectionnement car elle permet de réduire la perte de charge entre la sortie du diffuseur et les systèmes d'injection de la chambre, en alimentant plus directement ces systèmes. Elle permet également d'alimenter en gaz, de façon symétrique, les zones de contournement externe et interne de la chambre et ainsi de garantir une bonne alimentation en gaz de la zone de contournement interne.
Selon un mode de réalisation, le fond de la chambre de combustion est recouvert à l'avant par un carénage et, dans ledit plan de coupe, la plus petite distance entre la partie aval du diffuseur et ce carénage est comprise entre 1 et 1,5 fois la hauteur de la section de sortie de la partie aval.
Un tel positionnement de la partie aval du diffuseur par rapport au carénage, permet de diminuer encore les pertes de charge entre la sortie du diffuseur et les systèmes d'injection de la chambre de combustion. L'invention et ses avantages seront encore mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un exemple de réalisation de l'invention donné à titre illustratif et non limitatif. Cette description fait référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique, en demi-coupe axiale, le compresseur, le diffuseur et le module chambre de combustion d'un exemple connu de turboréacteur d'avion ; - la figure 2 est une vue en perspective du diffuseur de la figure 1 ; - la figure 3 représente de manière schématique, en demi-coupe axiale, le compresseur, le diffuseur et le module chambre de combustion d'un exemple de turboréacteur d'avion conforme à l'invention ; Les figures 1 et 2 qui représentent l'art antérieur, ont été 25 précédemment décrites. La figure 3 représente schématiquement le compresseur 110, le diffuseur 120 et la chambre de combustion 140 d'un exemple de turboréacteur d'avion conforme à l'invention, en demi-coupe axiale suivant l'axe A du turboréacteur (i.e. l'axe de rotation du rotor du turboréacteur). 30 Le plan de la figure 3 est donc un plan de coupe axial contenant l'axe A de la turbomachine. Le gaz traversant le turboréacteur est de Les éléments et parties d'élément analogues entre le turboréacteur de la figure 3 et celui des figures 1 et 2 sont repérés par les mêmes 35 références numériques augmentées de 100. 6 Le turboréacteur de la figure 3 comprend un compresseur centrifuge 110, un diffuseur 120 annulaire raccordé en aval du compresseur 110, ce diffuseur débouchant dans un espace 130 entourant une chambre de combustion 140 annulaire.
Le compresseur 110 comprend un rouet centrifuge. Ce rouet comprend une série d'aubes mobiles, entraînées en rotation. Ces aubes reçoivent l'air axialement, l'accélèrent et le libèrent radialement dans le diffuseur 120. Le diffuseur 120 est du type à aubes et comprend une partie amont 121 annulaire qui présente une série de passages de diffusion 122 raccordés à la sortie du compresseur 110 pour récupérer l'air accéléré sortant de ce dernier. Ces passages de diffusion 122 ont une section qui s'accroît progressivement suivant la direction radiale, de l'intérieur vers l'extérieur, afin de diffuser le courant de gaz sortant du compresseur 110.
Ces passages de diffusion 122 sont formés entre une série d'aubes de diffusion 123 espacées circulairement. Conformément à l'invention, dans le plan de la figure 3, le diffuseur 120 a une forme générale en col de cygne, afin de limiter les pertes de charge dans l'écoulement du gaz qui y circule.
Plus précisément, le diffuseur 120 est tel que, dans le plan de la figure 3, la portion extérieure de la partie amont 121 est inclinée par rapport à la direction radiale, vers l'avant. Dans l'exemple, la portion extérieure de la partie amont 121 est inclinée par rapport à la direction radiale d'un angle à peu près constant. L'angle d'inclinaison moyen B de cette portion extérieure est repéré sur la figure 3. Cet angle B est, par exemple, compris entre 15 et 25°. La portion extérieure de partie amont 121 est prolongée en aval par une partie intermédiaire 124 coudée, annulaire, permettant de courber le trajet d'écoulement du diffuseur et de ramener cet écoulement en direction de la chambre de combustion 140. Dans le plan de la figure 3, si on considère la paroi avant 127 (ou la paroi arrière 128) du diffuseur 120, on constate que le contour de la paroi avant 127 (de la paroi arrière 128) du diffuseur suit un arc de courbe globalement convexe vers l'avant, entre un premier point Pl (Pl) situé à la base de la portion inclinée de la partie amont 121, et un deuxième point P2 (P2) correspondant au point du contour, le plus éloigné de l'axe principal A du turboréacteur. Ainsi, si on considère le segment S (S') rectiligne joignant les points Pl et P2 (P'l et P2), ce segment S (S') est une corde de l'arc de courbe globalement convexe précité et cet arc de courbe se situe à l'avant du segment S (S'), c'est-à-dire à gauche de ce segment S (S') sur la figure 3. La partie intermédiaire coudée 124 est prolongée en aval par une partie aval 125 annulaire comprenant une série d'aubes de redressement 126 circulairement espacées. Ces aubes 126 permettent de réduire la giration de l'écoulement de gaz sortant des passages de diffusion 122, avant que cet écoulement n'entre dans l'espace 130. La partie aval 125 est évasée vers l'aval en ce sens que, dans le plan de la figure 3, la section de passage de la partie aval s'agrandit à mesure qu'on se rapproche de la chambre de combustion 140.
Dans le plan de la figure 3, l'axe moyen M de la partie aval 125 du diffuseur passe par le système d'injection 147 monté sur le fond de chambre 145. De plus, la plus petite distance D entre la partie aval 125 du diffuseur et le carénage 149, est environ égale à la hauteur H de la section 20 de sortie de la partie aval 125.
Claims (7)
1. Turbomachine comprenant : - un compresseur centrifuge (110); - une chambre de combustion annulaire (140) située à l'arrière de ce compresseur; et - un diffuseur annulaire (120) permettant de diffuser le courant de gaz sortant du compresseur et de diriger ce courant de gaz vers la chambre de combustion, ce diffuseur comprenant : une partie amont (121) raccordée à la sortie du compresseur, une partie intermédiaire coudée (124), et une partie aval (125); caractérisée en ce que ladite partie aval (125) est orientée vers la chambre de combustion (140) et en ce que, dans un plan de coupe contenant l'axe (A) de la turbomachine, au moins la portion extérieure de ladite partie amont (121) est inclinée par rapport à la direction perpendiculaire à l'axe (A) de la turbomachine, vers l'avant de la turbomachine, de sorte que le diffuseur (120) a une forme générale en col de cygne.
2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle ladite partie aval (125) du diffuseur est évasée vers l'aval.
3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle, dans ledit plan de coupe, l'axe moyen (M) de la partie aval (125) du diffuseur (120) passe par le fond de la chambre de combustion (140), entre le rayon maximum (R) et le rayon minimum (r) de ce fond de chambre (145).
4. Turbomachine selon la revendication 3, dans laquelle, dans un plan de coupe contenant l'axe (A) de la turbomachine et passant par le centre d'un des systèmes d'injection (147) montés sur le fond de chambre (145), l'axe moyen (M) de la partie aval (125) du diffuseur (120) passe par ledit système d'injection (147).
5. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite partie amont (121) présente des passages de diffusion (122) raccordés à la sortie du compresseur (110).
6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite partie aval (125) comprend une série d'aubes de redressement (126) circulairement espacées.
7. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le fond de la chambre de combustion (140) est recouvert, à l'avant, par un carénage (149), et en ce que, dans ledit plan de coupe, la plus petite distance (D) entre la partie aval (125) du diffuseur et ce carénage (149) est comprise entre 1 et 1,5 fois la hauteur (H) de la section de sortie de la partie aval (125). 20
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| FR (1) | FR2922939B1 (fr) |
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| FR2922939B1 (fr) | 2014-04-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Owner name: SNECMA, FR Effective date: 20170713 |
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