FR2958373A1

FR2958373A1 - Chambre de combustion dans une turbomachine

Info

Publication number: FR2958373A1
Application number: FR1001337A
Authority: FR
Inventors: Christophe Pieussergues; Denis Jean Maurice Sandelis
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-07
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: FR2958373B1

Abstract

Chambre de combustion de turbomachine, comprenant au moins une bougie (38) engagée axialement dans une cheminée (58) portée par une paroi de révolution (16) de la chambre et s'étendant dans une veine annulaire d'écoulement d'air, la cheminée (58) comprenant des ouvertures de passage d'air (58) orientées vers l'extrémité interne de la bougie (38) et inclinées par rapport à l'axe (54) de la cheminée (58) en direction axiale et en direction circonférentielle, afin de créer un flux local d'air tournant au niveau de l'extrémité interne de la bougie (38) et en écarter des recirculations de carburant.

Description

1 CHAMBRE DE COMBUSTION DANS UNE TURBOMACHINE La présente invention concerne une chambre annulaire de combustion pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.

Classiquement, une chambre annulaire de combustion de turbomachine est agencée immédiatement en aval d'un compresseur haute pression et en amont d'une turbine haute pression et comprend deux parois de révolution interne et externe reliées à leur extrémité amont à un fond de chambre annulaire comportant des ouvertures de passage des têtes d'injecteurs de carburant portés par un carter externe entourant la chambre. La paroi externe définit avec le carter externe une veine annulaire d'écoulement d'air en provenance du compresseur haute pression, à l'intérieur de laquelle est montée au moins une cheminée portée par la paroi de révolution externe et débouchant à l'intérieur de la chambre. Chaque cheminée comprend une rangée annulaire d'ouvertures de passage d'air régulièrement réparties autour de son axe. Une bougie d'allumage portée par le carter externe s'étend à l'intérieur de la cheminée, de manière à ce que son extrémité interne vienne affleurer la face interne de la paroi de la chambre de combustion. Une telle chambre de combustion est connue du document EP1770332A1 de la demanderesse. En fonctionnement, l'air sortant du compresseur haute pression circule à l'intérieur de la chambre et se mélange au carburant qui est pulvérisé par les injecteurs et est enflammé par la ou les bougies d'allumage. De l'air sortant du compresseur haute pression contourne la chambre et circule entre la paroi de révolution externe et le carter externe. Une partie de cet air s'écoule à travers les ouvertures de passage d'air de chaque cheminée et permet ainsi une ventilation de l'espace annulaire situé entre la surface interne de la cheminée et la bougie. Ainsi, le mélange air / carburant est empêché d'entrer dans cet espace annulaire, ce qui évite la formation de coke en cet endroit. En principe, le système d'injection est dimensionné de façon à ce 5 que la nappe de carburant formée par les injecteurs ne vienne pas impacter l'extrémité interne de la ou des bougies. Toutefois, des recirculations du mélange air/carburant peuvent se former dans la chambre et venir au contact de l'extrémité interne d'une bougie, ce qui conduit à des difficultés d'allumage. 10 Ceci a été observé dans le cas de bougies basse tension qui comprennent une électrode centrale entourée par un semi-conducteur. En effet, le claquage de la bougie, c'est-à-dire la formation de l'arc électrique, peut être perturbé par les recirculations du mélange air/carburant au niveau du semi-conducteur. Il peut également s'ensuivre 15 une usure plus rapide de la bougie ce qui implique son remplacement prématuré et conduit à une augmentation des coûts de maintenance. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème tout en évitant les inconvénients précités. 20 A cette fin, elle propose une chambre de combustion de turbomachine, comprenant au moins une bougie d'allumage portée par un carter externe et engagée axialement dans une cheminée portée par une paroi de révolution de la chambre et s'étendant dans une veine annulaire d'écoulement d'air, la cheminée débouchant à l'intérieur de la paroi de 25 révolution et comprenant des ouvertures de passage d'air régulièrement réparties autour de son axe, caractérisée en ce qu'au moins certaines des ouvertures sont orientées vers l'extrémité interne de la bougie et inclinées par rapport à l'axe de la cheminée en direction axiale et en direction circonférentielle, afin de créer un flux local d'air tournant au niveau de 30 l'extrémité interne de la bougie et en écarter des recirculations de carburant.

A la différence de la technique antérieure, la cheminée entourant la bougie comprend des ouvertures orientées spécifiquement vers l'extrémité de la bougie pour la ventiler en particulier. De plus, ces ouvertures sont inclinées à la fois en direction axiale et en direction circonférentielle et cette double inclinaison permet la formation d'un flux d'air tournant au niveau de l'extrémité interne de la bougie. Ainsi, les recirculations de mélange air / carburant au niveau de l'extrémité interne de la bougie sont repoussées, les performances d'allumage ne sont plus diminuées et les risques de cokéfaction sont limités. Avantageusement, lorsque du carburant est injecté à l'extrémité amont de la chambre avec une composante circonférentielle, la direction de l'inclinaison circonférentielle des ouvertures de passage d'air de la cheminée est choisie de manière à ce qu'immédiatement en amont de l'extrémité interne de la bougie, le flux d'air en provenance desdites ouvertures s'écoule dans le même sens que la composante circonférentielle du flux de carburant, ce qui permet que le mélange air / carburant au voisinage amont de la bougie soit co-rotatif avec le flux d'air tournant formé à l'extrémité interne de la bougie.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe de chaque ouverture est sensiblement tangent à la périphérie de l'extrémité interne de la bougie. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les ouvertures de passage d'air sont des perçages.

Chaque cheminée peut comprendre entre 15 à 20 perçages ayant chacun un diamètre compris environ entre 0,6 et 0,8 millimètres. Dans des réalisations particulières de l'invention, l'angle d'inclinaison des perçages dans un plan contenant l'axe de la cheminée et par rapport à cet axe est compris entre 70° et 80° et l'angle d'inclinaison des perçages dans un plan perpendiculaire à l'axe de la cheminée et par rapport à un axe passant par l'axe de la cheminée est compris entre 30° et 60°.

Avantageusement, l'extrémité interne de la bougie affleure la face interne de la paroi de révolution ou est en retrait de cette face interne, de manière à ce que l'angle d'inclinaison des perçages de la cheminée en direction axiale se rapproche le plus possible de 90°, facilitant ainsi la réalisation des perçages. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant une chambre annulaire de combustion telle que décrite ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une chambre annulaire de combustion selon la technique antérieure ; la figure 2 est une vue agrandie en perspective avec arrachement partiel d'une cheminée de la chambre de combustion de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique en perspective d'une partie d'une bougie montée dans une cheminée d'une chambre selon l'invention ; la figure 4 est une vue schématique dans un plan passant par l'axe d'une bougie montée dans une cheminée d'une chambre de combustion selon l'invention ; la figure 5 est une vue schématique de dessus de la bougie de la figure 4; la figure 6 est une vue schématique de dessous de la bougie de la figure 3. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une chambre annulaire de combustion 10 d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, agencée entre un compresseur haute pression en amont et une turbine haute pression en aval.

La chambre de combustion 10 est montée à l'intérieur d'un carter externe 12 et comprend deux parois de révolution interne 14 et externe 16 reliées à leur extrémité amont à un fond de chambre annulaire 18 comportant des orifices 20 alignés avec des orifices 22 d'un carénage annulaire 24 s'étendant vers l'amont et fixé sur le fond de chambre 18. Des têtes d'injecteurs 26 sont montées entre le carénage 24 et le fond de chambre 18 et sont alignées avec les orifices 20 du fond de chambre 18. Les têtes d'injecteurs 26 sont reliées à des conduits 28 d'amenée de carburant passant dans les orifices 22 du carénage 24 et reliés au carter externe 12. Des systèmes d'injection 30 sont disposés autour de chaque tête d'injecteur 26 dans les orifices 20 du fond de chambre.

Les extrémités aval des parois de révolution interne 14 et externe 16 sont reliées à des brides 32, 34 de fixation sur un carter interne 36 et sur le carter externe 12, respectivement. Au moins une bougie 38 est portée par le carter externe 12 et est engagée dans des moyens de guidage portés par la paroi de révolution externe 16. Ces moyens de guidage comprennent une cheminée tubulaire 40 (figure 2) fixée sur la paroi de révolution externe 16 et débouchant dans la chambre par un orifice 42, ainsi qu'un guide 44 entourant la bougie 38 et monté avec un jeu axial et transversal sur l'extrémité externe de la cheminée 40, dans la veine annulaire de passage d'air délimitée par la paroi externe 16 de la chambre et le carter externe 12. Le guide 44 comprend une surface interne cylindrique 46 destinée à entourer la bougie 44 et raccordée extérieurement à une paroi tronconique 48 qui est évasée en direction du carter externe 12 pour faciliter le montage de la bougie 44 et raccordée intérieurement à une collerette annulaire 50 engagée et bloquée axialement dans une gorge de la périphérie externe de la cheminée 40. Comme cela est visible en figure 2, la cheminée 40 comprend des perçages radiaux 52 régulièrement répartis autour de l'axe 54 de la cheminée 40.

En fonctionnement, l'air sortant du compresseur haute pression se divise en un flux d'air entrant à l'intérieur de la chambre de combustion 10 et mélangé au carburant (flèche A) et en un flux d'air de contournement (flèches B) de la chambre 10. Le flux d'air de contournement s'écoule entre le carter interne 36 et la paroi de révolution interne 14 d'une part et entre le carter externe 12 et la paroi de révolution externe 16 d'autre part.

Les perçages 52 de la cheminée 40 permettent ainsi une ventilation de l'espace annulaire formé entre la bougie 38 et la surface interne de la cheminée 40 de manière à éviter que le mélange air / carburant pulvérisé par les systèmes d'injection circule dans cet espace et forme du coke. Toutefois et comme expliqué précédemment, bien que les systèmes d'injection soient dimensionnés de manière à éviter que la nappe de carburant pulvérisé vienne impacter directement l'extrémité interne de la bougie 38, des recirculations d'air dans la chambre 10 peuvent amener du mélange air / carburant sur l'extrémité interne de la bougie 38, ce qui peut avoir des conséquences négatives sur le fonctionnement normal de la bougie 38. Ceci est particulièrement vrai lorsque les bougies 38 sont des bougies basse tension comprenant une électrode centrale entourée d'un matériau semi-conducteur. Le mouillage de l'extrémité interne de la bougie 38 peut conduire à une usure rapide du semi-conducteur lors du claquage de la bougie 38. Selon l'invention, la partie cylindrique de la cheminée comprend des perçages 56 orientés vers l'extrémité interne de la bougie 38 et inclinés par rapport à l'axe 54 de la cheminée 58 en direction axiale et en direction circonférentielle (figures 3 et 4). De cette manière, on crée une ventilation spécifique de l'extrémité interne de la bougie 38 et la double inclinaison des perçages en direction axiale et circonférentielle permet de générer un flux d'air qui est tournant autour de la face d'extrémité interne de la bougie 38 et qui éloigne les recirculations du mélange air / carburant de l'extrémité de la bougie. Ainsi, l'extrémité de la bougie 38 est préservée du mouillage par le carburant et ses performances lors du claquage ne sont pas impactées.

Afin de garantir la formation du flux d'air tournant au niveau de l'extrémité interne de la bougie 38, il est souhaitable que les axes 60 des perçages 56 soient sensiblement tangents à la périphérie de l'extrémité interne de la bougie 38 (figure 4).

Dans certaines configurations de chambre de combustion, les systèmes d'injection sont configurés de manière à pulvériser le carburant vers l'aval tout en lui imposant une rotation autour de l'axe du système d'injection. Dans ce cas, le mélange air / carburant (orienté selon la flèche 61) sortant des systèmes d'injection 30 comprend une composante axiale 62 et une composante circonférentielle 63. Comme représenté en figures 4 et 5, la composante circonférentielle 63 du mélange air / carburant est orientée dans le sens des aiguilles d'une montre lorsque l'on regarde en aval et selon l'axe de l'injecteur. Afin d'éviter que le mélange air / carburant ne s'oppose au flux d'air tournant au niveau de l'extrémité interne de la bougie 38, il est préférable que la direction d'inclinaison circonférentielle des perçages 56 soit choisie de manière à ce que le flux d'air en amont de la bougie 38 tourne dans le même sens que la composante circonférentielle 63 du mélange air / carburant. Ainsi, dans le cas de la figure 5, le flux d'air au niveau de l'extrémité interne de la bougie 38 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (flèches 64) lorsque l'on regarde selon l'axe de la bougie et vers la paroi 16 de la chambre de combustion. Dans une réalisation pratique de l'invention, chaque cheminée 58 comprend entre 15 et 20 perçages 56, lesquels ont un diamètre compris entre 0,6 et 0,8 millimètre. L'angle d'inclinaison a de l'axe de de chaque perçage 56 entre l'axe de la cheminée et la projection de l'axe du perçage sur un plan contenant l'axe 54 de la cheminée 58 est compris entre 70° et 80°. L'angle d'inclinaison p de chaque perçage 56 en direction circonférentielle, c'est-à- dire l'angle entre la projection de l'axe du perçage dans un plan perpendiculaire à l'axe 54 de la cheminée 58 et un axe perpendiculaire à l'axe de la cheminée et passant par l'axe 54 est compris entre 30° et 60°. II est préférable que l'extrémité interne de la bougie 38 affleure la face interne de la paroi de révolution externe 16 ou soit légèrement en retrait de cette face interne, de manière à avoir un angle d'inclinaison a se rapprochant le plus possible de 90° afin de faciliter la réalisation des perçages 56. Dans les réalisations représentées aux figures, la ventilation de l'extrémité interne de la bougie 38 est réalisée au moyen de perçages 56 de la cheminée. Toutefois, il est tout à fait possible de réaliser la ventilation de l'extrémité interne de la bougie 38 avec d'autres types d'ouvertures telles que par exemple des fentes. Dans une autre réalisation de l'invention, la cheminée 58 peut comprendre une autre rangée de perçages situés à l'extérieur de la rangée de perçages 56 de ventilation de l'extrémité interne de la bougie 38. De cette manière, on réalise également une ventilation de l'espace annulaire situé entre la bougie 38 et la cheminée 58.

Claims

REVENDICATIONS1. Chambre de combustion de turbomachine, comprenant au moins une bougie (38) portée par un carter externe (16) et engagée axialement dans une cheminée (58) portée par une paroi de révolution (16) de la chambre et s'étendant dans une veine annulaire d'écoulement d'air, la cheminée (58) débouchant à l'intérieur de la paroi de révolution (16) et comprenant des ouvertures de passage d'air (58) régulièrement réparties autour de son axe (54), caractérisée en ce qu'au moins certaines des ouvertures (56) sont orientées vers l'extrémité interne de la bougie (38) et inclinées par rapport à l'axe (54) de la cheminée (58) en direction axiale et en direction circonférentielle, afin de créer un flux local d'air tournant au niveau de l'extrémité interne de la bougie (38) et en écarter des recirculations de carburant.
2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que, du carburant étant injecté à l'extrémité amont de la chambre avec une composante circonférentielle, la direction d'inclinaison circonférentielle des ouvertures (56) de passage d'air de la cheminée est choisie de manière à ce qu'immédiatement en amont de l'extrémité interne de la bougie (38), le flux d'air en provenance desdites ouvertures s'écoule dans le même sens que la composante circonférentielle du flux de carburant.
3. Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'axe de chaque ouverture (56) est sensiblement tangent à la périphérie de l'extrémité interne de la bougie (38).
4. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les ouvertures de passage d'air (56) sont des perçages.
5. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que la cheminée comprend entre 15 à 20 perçages (56).
6. Chambre de combustion selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les perçages (56) ont un diamètre compris environ entre 0,6 et 0,8 millimètre.
7. Chambre de combustion selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (a) des perçages (56) dans un plan contenant l'axe (54) de la cheminée (58) et par rapport à celui-ci est compris entre 70 et 80° et ce que l'angle d'inclinaison (R) des perçages dans un plan perpendiculaire à l'axe (54) de la cheminée (58) et par rapport à un axe passant par l'axe de la cheminée est compris entre 30° et 60°.
8. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'extrémité interne de la bougie (38) affleure la face interne de la paroi de révolution (16) ou est en retrait de cette face interne.
9. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre annulaire de combustion selon l'une des revendications 1 à 8.