FR2958014A1

FR2958014A1 - COMBUSTION CHAMBER WITH INJECTORS SHIFTING LONGITUDINALLY ON THE SAME CROWN

Info

Publication number: FR2958014A1
Application number: FR1052106A
Authority: FR
Inventors: Emilie Lachaud; Sebastien Roux
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-09-30
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: WO2011117533A3; FR2958014B1; WO2011117533A2

Abstract

Chambre de combustion annulaire pour turbomachine comprenant une paroi externe (2), une paroi interne (3) et une paroi de fond de chambre (4) sur laquelle sont montés le long d'au moins une couronne circulaire des systèmes d'injection (5) destinés à mélanger du carburant en provenance d'injecteurs (6) à de l'air provenant d'un compresseur, caractérisée en ce qu'au moins deux systèmes d'injections (5) situés sur une même couronne circulaire sont décalés longitudinalement, selon la direction de l'axe central de la chambre de combustion.An annular combustion chamber for a turbomachine comprising an outer wall (2), an inner wall (3) and a bottom wall (4) on which are mounted along at least one circular ring of the injection systems (5). ) for mixing fuel from injectors (6) with air from a compressor, characterized in that at least two injection systems (5) on the same ring gear are longitudinally offset, in the direction of the central axis of the combustion chamber.

Description

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement, celui de la combustion dans les chambres de combustion de ces turbomachines. Une turbomachine comprend classiquement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. The field of the present invention is that of turbomachines and, more particularly, that of the combustion in the combustion chambers of these turbomachines. A turbomachine conventionally comprises, from upstream to downstream in the direction of the gas flow, a blower, one or more stages of compressors, for example a low pressure compressor and a high pressure compressor, a combustion chamber, one or more turbine stages, for example a high pressure turbine and a low pressure turbine, and a gas exhaust nozzle.

La chambre de combustion est alimentée par de l'air provenant du ou des compresseurs, qui pénètre dans ladite chambre pour participer à la combustion du carburant qui y est injecté. Le carburant est vaporisé et mélangé à l'air par l'intermédiaire d'un système d'injection qui, à sa sortie, met l'air en rotation dans un mouvement hélicoïdal. Cette rotation est caractérisée par un nombre, dit nombre de swirl, qui a pour valeur le rapport entre la quantité de mouvement tangentielle et la quantité de mouvement axiale de l'air carburé en sortie du système d'injection. Du fait de cette mise en rotation l'air carburé suit un cheminement qui, schématiquement, se résume à un évasement vers l'extérieur avec une partie qui revient vers l'amont au niveau de l'axe central de la chambre de combustion. Cette recirculation permet la stabilisation de la flamme en aval du système d'injection avec un déploiement de celle-ci sous la forme d'une corolle ayant pour axe, l'axe central du système d'injection. The combustion chamber is supplied with air from the compressor or compressors, which enters the chamber to participate in the combustion of the fuel injected therein. The fuel is vaporized and mixed with air through an injection system which, at its output, rotates the air in a helical motion. This rotation is characterized by a number, called the number of swirls, which is the ratio between the tangential momentum and the amount of axial movement of the carbureted air at the outlet of the injection system. Because of this rotation carburized air follows a path which schematically amounts to an outward flare with a portion that returns upstream at the central axis of the combustion chamber. This recirculation allows the stabilization of the flame downstream of the injection system with a deployment thereof in the form of a corolla having for axis, the central axis of the injection system.

Lorsque des fluctuations apparaissent au niveau de l'air qui entre dans un système d'injection, elles génèrent une augmentation puis une diminution de l'alimentation de l'injecteur, ce qui se traduit au niveau de la flamme par une fluctuation de la quantité de chaleur dégagée. Cette fluctuation de la combustion génère alors des ondes acoustiques qui peuvent se réfléchir sur les parois de la chambre, être entretenues et même constituer un phénomène qui s'amplifie et qui peut devenir dangereux Il convient donc d'éviter les couplages qui pourraient s'installer entre les fluctuations de la combustion et les modes acoustiques de la chambre de combustion et de la cavité qui l'entoure, car de tels When fluctuations appear at the level of the air which enters an injection system, they generate an increase then a decrease of the supply of the injector, which is translated at the level of the flame by a fluctuation of the quantity of heat released. This fluctuation of combustion then generates acoustic waves that can be reflected on the walls of the chamber, be maintained and even be a phenomenon that grows and can become dangerous It should therefore avoid couplings that could settle between combustion fluctuations and the acoustic modes of the combustion chamber and the surrounding cavity, as such

2 phénomènes peuvent donner lieu à des mises en résonance qui influent sur la durée de vie des pièces et qui peuvent même être destructeurs. Il n'existe pas de solution systématique permettant de résoudre ce problème des instabilités et on ne sait pas toujours éliminer ces modes vibratoires avec certitude. Les techniques habituellement mises en oeuvre pour réduire les vibrations acoustiques dans la chambre portent sur des modifications de la géométrie de celle-ci ou sur la mise en place de barrière acoustiques mais elles sont souvent compliquées à mettre en oeuvre. Il est donc préférable d'agir directement au niveau de la combustion, pour réduire ses fluctuations et éviter ainsi que des phénomènes vibratoires trop violents n'apparaissent. On connait par ailleurs, par les demandes de brevet FR 2727193 et EP 1288579 de la demanderesse, des configurations particulières des systèmes d'injection dans la chambre, avec deux systèmes d'injection décalés axialement, mais ces dispositifs ont essentiellement pour but de réduire les émissions d'imbrûlés ; ils n'ont pas d'effet particulier connu, sur le niveau des perturbations acoustiques dans la chambre de combustion. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une chambre de combustion ne présentant pas au moins certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, une disposition des éléments de cette chambre qui réduise les instabilités de combustion d'une façon simple et facile à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention a pour objet une chambre de combustion annulaire pour turbomachine comprenant une paroi externe, une paroi interne et une paroi de fond de chambre sur laquelle sont montés le long d'au moins une couronne circulaire des systèmes d'injection destinés à mélanger du carburant en provenance d'injecteurs à de l'air provenant d'un compresseur, caractérisée en ce qu'au moins deux systèmes d'injections situés sur une même couronne circulaire sont décalés longitudinalement, selon la direction de l'axe central de la chambre de combustion. Le décalage longitudinal de ces deux systèmes d'injection provoque un décalage temporel dans les pulsations de la combustion, en réponse à des fluctuations de pression d'entrée, et génère un nivellement au niveau de la somme des quantités de chaleur produites par les deux systèmes d'injection. La combustion dans la chambre est ainsi moins sensible aux éventuelles fluctuations acoustiques se propageant dans l'axe de la chambre. De façon préférentielle le décalage mis en place est égal au produit de la vitesse moyenne du mélange carburé entre la sortie du système d'injection et le point d'accrochage de la flamme produite par ledit système, par l'inverse d'une des fréquences propres d'oscillation de la combustion dans ladite chambre. On obtient ainsi la simultanéité entre l'arrivée d'un maximum de chaleur sur un système d'injection et l'arrivée d'un minimum de chaleur sur le système d'injection décalé, ce qui conduit à mettre les oscillations de la combustion des deux injecteurs décalés en opposition de phase. Avantageusement chaque système d'injection est décalé par 15 rapport à au moins un des systèmes d'injection immédiatement voisin situé sur la même couronne. De façon préférentielle chaque système d'injection est décalé par rapport aux deux systèmes d'injection immédiatement voisins situés sur la même couronne. 20 De façon encore plus préférentielle les systèmes d'injection sont alternativement décalés d'une longueur donnée et non décalés, par rapport au fond de chambre. De façon alternative les valeurs du décalage par rapport au fond de chambre des systèmes d'injection situés sur une même couronne 25 sont en nombre supérieur à deux. L'invention revendique également une turbomachine comportant une chambre de combustion annulaire telle que décrite ci-dessus. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, 30 caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. 35 Sur ces dessins : 2 phenomena can give rise to resonance that affect the life of the parts and can even be destructive. There is no systematic solution to solve this problem of instabilities and we do not always know how to eliminate these vibratory modes with certainty. The techniques usually used to reduce acoustic vibrations in the chamber relate to changes in the geometry thereof or the introduction of acoustic barriers but they are often complicated to implement. It is therefore preferable to act directly at the level of combustion, to reduce its fluctuations and thus avoid too violent vibration phenomena appear. Furthermore, patent applications FR 2727193 and EP 1288579 of the applicant disclose particular configurations of the injection systems in the chamber, with two axially offset injection systems, but these devices are essentially intended to reduce unburnt emissions; they have no particular known effect on the level of acoustic disturbances in the combustion chamber. The object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a combustion chamber that does not have at least some of the drawbacks of the prior art and, in particular, an arrangement of the elements of this chamber which reduces the combustion instabilities of a simple and easy way to implement. For this purpose, the subject of the invention is an annular combustion chamber for a turbomachine comprising an outer wall, an inner wall and a bottom wall of a chamber on which are mounted along at least one circular ring of the injection systems for mixing fuel from injectors with air from a compressor, characterized in that at least two injection systems located on the same ring gear are longitudinally offset in the direction of the axis central of the combustion chamber. The longitudinal offset of these two injection systems causes a time shift in the pulses of the combustion, in response to input pressure fluctuations, and generates a leveling of the sum of the amounts of heat produced by the two systems. injection. The combustion in the chamber is thus less sensitive to possible acoustic fluctuations propagating in the axis of the chamber. Preferably, the shift implemented is equal to the product of the average speed of the fuel mixture between the outlet of the injection system and the attachment point of the flame produced by said system, by the inverse of one of the frequencies oscillation of combustion in said chamber. This gives the simultaneity between the arrival of a maximum of heat on an injection system and the arrival of a minimum of heat on the offset injection system, which leads to the oscillations of the combustion of two injectors staggered in opposition of phase. Advantageously, each injection system is offset with respect to at least one of the immediately adjacent injection systems located on the same ring. Preferably, each injection system is offset relative to the two immediately adjacent injection systems located on the same ring. Even more preferably, the injection systems are alternately offset by a given length and not offset relative to the chamber bottom. Alternatively the values of the offset from the chamber bottom of the injection systems located on the same ring 25 are greater than two. The invention also claims a turbomachine comprising an annular combustion chamber as described above. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages thereof will become more clearly apparent from the following detailed explanatory description of one or more embodiments of the invention given as purely illustrative and non-limiting examples, with reference to the attached schematic drawings. 35 In these drawings:

4 - la figure 1 est une vue en perspective d'une chambre de combustion annulaire pour une turbomachine, - la figure 2 est un vue schématique du positionnement des injecteurs dans une chambre de combustion selon l'art antérieur, - la figure 3 est un vue schématique du positionnement des injecteurs dans une chambre de combustion selon un mode de réalisation de l'invention, - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques du fonctionnement des systèmes d'injection d'une turbomachine selon l'art antérieur, respectivement à deux instants consécutifs t et t+At, et - les figures 6 et 7 sont des vues schématiques du fonctionnement des systèmes d'injection d'une turbomachine selon l'invention, respectivement à deux instants consécutifs t et t+At. En se référant à la figure 1, on voit une chambre de combustion 1 en forme d'anneau, comprise entre deux parois longitudinales, une paroi externe 2 et une paroi interne 3, qui sont reliées en amont par une paroi de fond de chambre 4. Sur cette paroi 4 sont fixés des systèmes d'injection 5 sur lesquels débouchent des injecteurs 6. Les systèmes d'injection 5 et les injecteurs 6 sont répartis de façon uniforme, le long d'une couronne circulaire du fond de chambre. La figure 2 représente la même chambre, de façon schématique, dans une version conforme à l'art antérieur. Dans cette version tous les systèmes d'injection 5 sont fixés de façon identique sur le fond de chambre 4 et se trouvent de ce fait dans un même plan radial. FIG. 1 is a perspective view of an annular combustion chamber for a turbomachine; FIG. 2 is a schematic view of the positioning of the injectors in a combustion chamber according to the prior art; FIG. schematic view of the positioning of the injectors in a combustion chamber according to one embodiment of the invention, - Figures 4 and 5 are schematic views of the operation of the injection systems of a turbomachine according to the prior art, respectively to two consecutive instants t and t + At, and - Figures 6 and 7 are schematic views of the operation of the injection systems of a turbomachine according to the invention, respectively at two consecutive times t and t + At. Referring to Figure 1, there is shown a combustion chamber 1 in the form of a ring, between two longitudinal walls, an outer wall 2 and an inner wall 3, which are connected upstream by a bottom wall of the chamber 4 On this wall 4 are fixed injection systems 5 on which open injectors 6. The injection systems 5 and the injectors 6 are distributed uniformly along a circular ring of the chamber bottom. Figure 2 shows the same chamber, schematically, in a version according to the prior art. In this version all the injection systems 5 are fixed identically on the chamber bottom 4 and are therefore in the same radial plane.

Par comparaison la figure 3 montre une chambre selon l'invention, dans laquelle les systèmes d'injection 5 sont décalés axialement, à raison d'un système d'injection sur deux. Les systèmes d'injection se retrouvent ainsi dans deux plans radiaux, décalés axialement l'un par rapport à l'autre d'une longueur "d" et, individuellement, chaque système d'injection se retrouve décalé de cette même longueur d par rapport à ses deux systèmes d'injection immédiatement voisins. En se référant maintenant aux figures 4 et 5, on voit le fonctionnement d'une chambre de combustion de l'art antérieur, en réponse à une perturbation de pression p' sur la pression de l'air admis dans la chambre, à des instants respectivement t et t+At. Ces instants correspondent respectivement à un maximum q'max et à un minimum q'm;n de quantité de chaleur fournie par la combustion du mélange. L'écoulement en sortie d'injecteur est représenté sur ces figures avec un cheminement en hélice. Sur les deux figures on note que la quantité de 5 chaleur fournie q' est maximale sur les deux systèmes d'injection 5 au temps t et minimale sur les deux systèmes au temps t+At. A contrario sur les figures 6 et 7, qui représentent le fonctionnement d'une chambre selon l'invention en réponse à une même perturbation p' de la pression d'entrée, la quantité de chaleur fournie par deux injecteurs consécutifs est différente. Sur la figure 6, à l'instant t la quantité de chaleur fournie par le système d'injection avancé est maximale alors que celle fournie par le système d'injection voisin est minimale. Sur la figure 7, à l'instant t+At, c'est le système d'injection avancé qui fournit la quantité de chaleur minimale alors que le système voisin fournit la quantité de chaleur maximale. Au bout du compte le total de la quantité de chaleur fournie par les deux injecteurs reste quasiment stable, la forte quantité de chaleur fournie par le système d'injection avancé étant compensée par une plus faible quantité fournie par le système d'injection immédiatement voisin. By comparison, FIG. 3 shows a chamber according to the invention, in which the injection systems 5 are offset axially, with one injection system out of two. The injection systems are thus found in two radial planes, axially offset relative to each other by a length "d" and, individually, each injection system is shifted by the same length d relative to each other. to its two immediately adjacent injection systems. Referring now to Figures 4 and 5, we see the operation of a combustion chamber of the prior art, in response to a pressure disturbance p 'on the pressure of the air admitted to the chamber, at times respectively t and t + At. These instants respectively correspond to a maximum q'max and a minimum q'm; n amount of heat provided by the combustion of the mixture. The flow at the injector outlet is shown in these figures with a helical path. In both figures it is noted that the quantity of heat supplied q 'is maximum on the two injection systems 5 at time t and minimum on both systems at time t + At. Conversely, in FIGS. 6 and 7, which show the operation of a chamber according to the invention in response to the same disturbance p 'of the inlet pressure, the quantity of heat supplied by two consecutive injectors is different. In Figure 6, at time t the amount of heat provided by the advanced injection system is maximum while that provided by the neighboring injection system is minimal. In FIG. 7, at time t + At, it is the advanced injection system that provides the minimum amount of heat while the neighboring system provides the maximum amount of heat. Ultimately the total amount of heat supplied by the two injectors remains almost stable, the large amount of heat provided by the advanced injection system being offset by a smaller amount provided by the immediately adjacent injection system.

On va maintenant expliquer, en se référant essentiellement aux figures 4 à 7, le principe de l'atténuation des vibrations dans une chambre de combustion selon l'invention. Ce principe, qui est adapté aux modes de vibrations longitudinales, repose sur la création d'un déphasage dans le temps, des fluctuations portant sur la forme de la flamme. Auparavant, tous les systèmes d'injections étant placés à la même position longitudinale sur le moteur, toutes les flammes étaient amenées à osciller en phase, conduisant ainsi à l'apparition d'instabilités de combustion caractérisées par des battements synchrones de leur nombre de swirl et de l'ouverture de leurs corolles. A contrario, dans l'invention, on crée un déphasage temporel dans ces perturbations par l'introduction d'un décalage sur la position longitudinale des injecteurs par rapport aux injecteurs et aux systèmes d'injection qui leur sont immédiatement voisins. Le parcours effectué par le mélange carburé étant dès lors différent pour les deux systèmes It will now be explained, with reference essentially to FIGS. 4 to 7, the principle of attenuation of vibrations in a combustion chamber according to the invention. This principle, which is adapted to longitudinal vibration modes, is based on the creation of a phase shift in time, fluctuations on the shape of the flame. Previously, all the injection systems being placed at the same longitudinal position on the engine, all the flames were caused to oscillate in phase, thus leading to the appearance of instabilities of combustion characterized by synchronous beats of their number of swirls. and the opening of their corollas. In contrast, in the invention, a temporal phase shift is created in these disturbances by introducing an offset on the longitudinal position of the injectors with respect to injectors and injection systems which are immediately adjacent to them. The journey made by the fuel mixture is therefore different for the two systems

6 d'injection l'effet de la variation de pression se fait sentir au niveau de la flamme à des instants différents, ce qui génère le décalage temporel recherché. Et en adaptant correctement ce décalage longitudinal on crée des déphasages temporels entre les perturbations qui les conduisent à se compenser les unes les aux autres. Lorsqu'au niveau d'un injecteur la quantité de chaleur est maximale, celle qui est issue de l'injecteur voisin est minimale, et réciproquement. La quantité de chaleur fournie par les deux injecteurs reste alors sensiblement constante, ou en tout état de cause, fluctue avec des amplitudes nettement réduites, ce qui est le but recherché. Le décalage à mettre en place est relié au temps de parcours moyen du fluide et de l'onde acoustique entre son point d'entrée du système d'injection et le point d'accrochage de la flamme. Ce temps de parcours et la vitesse moyenne sur le tronçon considéré sont couramment accessibles par une simulation numérique des écoulements turbulents, qui peut s'effectuer classiquement avec un code du type LES (Large eddy simulation, ou Simulation des grandes échelles). La vitesse moyenne sur le parcours étant connue, le décalage longitudinal à mettre préférentiellement en place est obtenu en multipliant cette vitesse par l'inverse de la fréquence d'oscillation du mode acoustique dont on veut éliminer les effets. La mise en place de ce décalage entre les injecteurs conduit ainsi à mettre les oscillations de la combustion des deux injecteurs décalés en opposition de phase pour la fréquence d'oscillation considérée. 6 injection the effect of the pressure variation is felt at the flame at different times, which generates the desired time shift. And by correctly adapting this longitudinal offset, temporal phase shifts are created between the disturbances which lead them to compensate for each other. When at the level of an injector the amount of heat is maximum, that which comes from the neighboring injector is minimal, and vice versa. The amount of heat supplied by the two injectors then remains substantially constant, or in any case fluctuates with markedly reduced amplitudes, which is the aim sought. The offset to set up is related to the average travel time of the fluid and the acoustic wave between its point of entry of the injection system and the point of attachment of the flame. This travel time and the average speed on the section considered are commonly accessible by a numerical simulation of turbulent flows, which can be carried out conventionally with a code of the type LES (Large eddy simulation, or Simulation of large scales). The average speed on the path being known, the longitudinal shift to put preferentially in place is obtained by multiplying this speed by the inverse of the oscillation frequency of the acoustic mode whose effects are to be eliminated. The introduction of this gap between the injectors thus leads to put the oscillations of the combustion of the two injectors offset in phase opposition for the oscillation frequency considered.

L'invention a été décrite en décalant un injecteur sur deux de la même distance. Il est bien évident que cette disposition est purement indicative et que d'autres configurations peuvent être envisagées, comme par exemple des décalages variables sur la circonférence, pour prendre en compte plusieurs fréquences d'oscillation, ou encore des regroupements de plusieurs injecteurs par secteurs angulaires, pour autant qu'en résulte une compensation temporelle des fluctuations acoustiques de la combustion. The invention has been described by shifting one injector out of two of the same distance. It is obvious that this arrangement is purely indicative and that other configurations can be envisaged, such as variable offsets on the circumference, to take into account several oscillation frequencies, or groupings of several injectors by angular sectors. as long as a temporal compensation of the acoustic fluctuations of the combustion results.

Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de 35 réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les 7 équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. Although the invention has been described in connection with a particular embodiment, it is obvious that it includes all the technical equivalents of the described means as well as their combinations if these fall within the scope of the invention. .

Claims

REVENDICATIONS1. An annular combustion chamber for a turbomachine comprising an outer wall (2), an inner wall (3) and a bottom wall (4) on which are mounted along at least one circular ring of the injection systems (5). ) for mixing fuel from injectors (6) with air from a compressor, characterized in that at least two injection systems (5) located on the same circular ring are longitudinally offset , according to the direction of the central axis of the combustion chamber.

2. Combustion chamber according to claim 1 wherein the shift implemented is equal to the product of the average speed of the fuel mixture between the output of the injection system and the point of attachment of the flame produced by said system, by the inverse of one of the natural frequencies of oscillation of the combustion in said chamber.

3. Combustion chamber according to one of claims 1 or 2 wherein each injection system is offset from at least one of the immediately adjacent injection systems located on the same ring.

4. Combustion chamber according to claim 3 wherein each injection system is offset from two immediately adjacent injection systems located on the same ring.

5. Combustion chamber according to claim 4 wherein the injection systems (5) are alternately offset by a given length and not offset, relative to the chamber bottom (4).

6. Combustion chamber according to one of claims 1 to 4 30 wherein the values of the offset from the chamber bottom (4) of the injection systems located on the same ring are greater than two in number.

7. A turbomachine comprising an annular combustion chamber according to one of claims 1 to 6.