FR2980553A1 - Chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une chambre annulaire de combustion (1) de turbomachine comportant une paroi interne (3) et une paroi externe (4) de révolution, reliées par un fond de chambre (5) équipé de moyens d'injection (9, 10) de carburant, lesdites parois interne (3) et externe (4) comportant chacune des trous primaires (17) et des trous de dilution (18) situés en aval des trous primaires (17) par rapport au sens d'écoulement des gaz, lesdits trous primaires (17) et de dilution (18) étant régulièrement répartis sur la circonférence des parois interne (3) et externe (4), caractérisée en ce que la paroi externe (4) comporte plus de trous de dilution (18) que la paroi interne (3).

Description

Chambre de combustion de turbomachine La présente invention concerne une chambre de combustion de turbomachine.

Dans une turbomachine, un ou plusieurs étages de compresseur alimentent en air sous pression une chambre de combustion où l'air est mélangé à du carburant. Le mélange est ensuite allumé et génère des gaz de combustion chauds s'écoulant vers l'aval de la chambre, en direction d'un ou plusieurs étages de turbine entraînés en rotation. Les turbines entraînent les étages de compresseurs, de façon à compresser l'air en amont de la chambre de combustion. Une chambre annulaire de combustion comporte une paroi interne et une paroi externe de révolution reliées à leurs extrémités amont par un fond de chambre équipé de moyens d'injection de carburant.

Ces moyens d'injection comportent notamment une série d'injecteurs de carburant et des moyens d'amenée de l'air issu du compresseur autour des injecteurs de façon à vaporiser le carburant liquide injecté. Des bougies d'allumage permettent de brûler le carburant mélangé à l'air, au sein de la chambre de combustion.

Les parois interne et externe de la chambre comportent en général des trous dits primaires et des trous dits de dilution, situés en aval des trous primaires. Ces trous sont régulièrement répartis sur toute la circonférence des parois. De l'air est injecté à la fois autour des injecteurs et au travers des trous primaires, de façon à ce que le mélange air/carburant soit présent dans la partie amont de la chambre dans des proportions sensiblement stoechiométriques, ce qui permet d'obtenir un bon rendement de combustion et une vitesse de réaction maximale. La vitesse de réaction est la vitesse de disparition de l'un des constituants du mélange air/carburant.

La température des gaz issus de la combustion est très élevée, par exemple de l'ordre de 2000°C. Les gaz ainsi produits doivent donc être refroidis afin de ne pas détériorer la chambre et la turbine. Pour cela, de l'air issu du compresseur est injecté au travers des parois interne et externe de la chambre, par l'intermédiaire des trous de dilution. L'air de dilution, plus froid, pénètre le flux de gaz généré par la combustion et est mélangé à celui-ci. Le profil de température des gaz sortant de la chambre de combustion peut ainsi être ajusté en fonction des contraintes thermiques.

En outre, d'autres moyens de refroidissement des parois de la chambre sont prévus. La chambre de combustion peut être décomposée en plusieurs secteurs angulaires comportant chacun un injecteur. Les parois interne et externe comprennent, dans chaque secteur, un nombre identique de trous de dilution, par exemple égal à 3. Des études menées par la Demanderesse ont permis de constater que les gaz de combustion sont mieux refroidis dans la partie radialement interne de la chambre de combustion que dans sa partie radialement externe.

Cela est notamment du au fait que, le diamètre de la paroi externe étant plus grand que celui de la paroi interne, l'espacement entre les trous de dilution est plus important sur la paroi externe que sur la paroi interne lorsque les parois interne et externe comportent le même nombre de trous de dilution.

Une partie des gaz chauds issus de la combustion peut donc traverser la zone des trous de dilution le long de la paroi externe en contournant l'air froid injecté par ces trous, notamment au niveau des extrémités circonférentielles de chaque secteur. Afin de remédier à cela, il a été envisagé d'utiliser des parois interne et externe comportant chacune 4 trous par secteur angulaire.

Les études menées par la Demanderesse ont toutefois montré que, dans ce cas, les gaz chauds issus de la combustion sont correctement refroidis au niveau de la partie radialement externe de la chambre, mais plus au niveau de la partie radialement interne.

Cela peut s'expliquer par le fait que le nombre de trous de dilution de la paroi interne est augmenté et que le débit d'air froid traversant la surface interne est le même que précédemment, de sorte que l'air traversant ces trous de dilution pénètre moins profondément dans les gaz chauds issus de la combustion. L'air froid est donc mélangé moins efficacement au flux des gaz chauds, dans la partie radialement interne de la chambre de combustion. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose une chambre annulaire de combustion de turbomachine comportant une paroi interne et une paroi externe de révolution, reliées par un fond de chambre équipé de moyens d'injection de carburant, lesdites parois interne et externe comportant chacune des trous primaires et des trous de dilution situés en aval des trous primaires par rapport au sens d'écoulement des gaz, lesdits trous primaires et de dilution étant régulièrement répartis sur la circonférence des parois interne et externe, caractérisée en ce que la paroi externe comporte plus de trous de dilution que la paroi interne. Ainsi, l'espace entre les trous de dilution de la paroi externe peut être réduit de façon à éviter le contournement de l'air froid traversant les trous de dilution par les gaz chauds issus de la combustion. En outre, le nombre limité de trous de dilution au niveau de la paroi interne permet d'assurer un refroidissement efficace des gaz chauds. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de combustion comportant n injecteurs et étant divisée en n secteurs angulaires, la paroi externe comporte 4 trous de dilution par secteur angulaire et la paroi interne comporte 3 trous de dilution par secteur angulaire. De préférence, dans chaque secteur angulaire, la paroi externe comporte un trou de dilution central, situé dans un plan radial orienté suivant l'axe de l'injecteur correspondant, deux demi-trous de dilution situés aux extrémités circonférentielles du secteur angulaire, et deux autres trous de dilution, dits médians, situés de part et d'autre dudit plan radial, entre le trou central et les demi-trous d'extrémité. Le nombre total de trous de dilution de la surface externe, par secteur angulaire, est donc bien égal à 4. Une telle disposition des trous assure une distribution efficace de l'air froid au niveau de la paroi externe. Le diamètre du trou de dilution central de chaque secteur de la paroi externe peut être plus important que le diamètre des autres trous de dilution de ce secteur. Le trou de dilution central est situé dans l'axe de l'injecteur, c'est-à-dire suivant l'axe médian de projection des gouttes de carburant. Les flux de gaz chauds sont donc plus importants dans la zone située en regard du trou de dilution central. Le trou médian de plus grand diamètre permet alors d'amener plus d'air froid dans cette zone. A titre d'exemple non limitatif, le diamètre du trou central de chaque secteur de la paroi externe est compris entre 6 et 7 mm, le diamètre des trous médians de ce secteur est compris entre 5 et 6 mm et le diamètre des demi-trous d'extrémité de ce secteur est compris entre 4 et 5 mm. En outre, chaque secteur angulaire de la paroi interne peut comporter un trou de dilution central, situé dans le plan radial orienté suivant l'axe de l'injecteur correspondant, et deux autres trous de dilution situés de part et d'autre dudit plan radial.

A titre d'exemple, les trous de dilution de chaque paroi, situés de part et d'autre du plan radial, sont alignés sur une même circonférence, et sont par exemple chacun situés dans un second plan radial formant respectivement un angle de +4,5° et de -4,5° par rapport au plan radial précité. Une telle disposition des trous assure une distribution efficace de l'air froid au niveau de la paroi interne. De plus, le diamètre du trou de dilution central de chaque secteur de la paroi interne est plus important que le diamètre des autres trous de dilution de ce secteur, ce qui, comme indiqué précédemment, permet d'améliorer le refroidissement des gaz chauds issus de la combustion.

A titre d'exemple, le diamètre du trou central de chaque secteur de la paroi interne est compris entre 7 et 8 mm, le diamètre des autres trous de dilution du secteur étant compris entre 6 et 7 mm. L'invention concerne en outre une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant une chambre de combustion du type précité. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages 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 vue en coupe axiale d'une chambre de combustion selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique, en perspective, d'un secteur angulaire d'une chambre de combustion selon une première forme de réalisation de l'art antérieur, - la figure 3 est une vue schématique en coupe radiale du secteur angulaire de la figure 2, au niveau de trous de dilution, - les figures 4 et 5 sont des vues correspondant respectivement aux figures 2 et 3, d'une seconde forme de réalisation de l'art antérieur, - les figures 6 et 7 sont des vues correspondant respectivement aux figures 2 et 3, d'une forme de réalisation de l'invention.

On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une chambre annulaire de combustion 1 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 1 est montée à l'intérieur d'un carter externe 2 et comprend deux parois de révolution interne 3 et externe 4 reliées à leurs extrémités amont à un fond de chambre annulaire 5 comportant des orifices 6 alignés avec des orifices 7 d'un carénage annulaire 8 s'étendant vers l'amont et fixé sur le fond de chambre 5. Des têtes d'injecteurs 9 sont montées entre le carénage 8 et le fond de chambre 5 et sont alignées avec les orifices 6 du fond de chambre 5. Les têtes d'injecteurs 9 sont reliées à des conduits 10 d'amenée de carburant passant dans les orifices 7 du carénage 8 et portés par le carter externe 2. Des systèmes d'injection 11 sont disposés autour des têtes d'injecteur 9 dans les orifices 6 du fond de chambre 5. Dans l'exemple représenté, les extrémités aval des parois de révolution interne et externe sont reliées à des brides de fixation 12, 13 sur un carter interne 14 et sur le carter externe 2, respectivement. Au moins une bougie d'allumage 15 est portée par le carter externe 20 2 et est engagée dans des moyens de guidage 16 portés par la paroi de révolution externe 4. Les parois interne 3 et externe 4 de la chambre 1 comportent chacune une rangée circonférentielle de trous primaires 17 et une rangée circonférentielle de trous de dilution 18. Les trous de dilution 18 sont situés 25 en aval des trous primaires 17, dans le sens de circulation des gaz. La distance axiale entre la circonférence 19 sur laquelle sont placés les trous primaires 17 et la circonférence 20 sur laquelle sont placés les trous de dilution 18 (distance entre les axes des trous 17, 18) est comprise par exemple entre 10 et 40 mm. 30 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 et mélangé au carburant (flèche A) et en un flux d'air de contournement (flèches B) de la chambre. Le flux d'air de contournement s'écoule dans l'espace annulaire 21 entre le carter interne 14 et la paroi de révolution interne 3 d'une part et dans l'espace annulaire 22 entre le carter externe 2 et la paroi de révolution externe 4 d'autre part. Une partie de l'air de contournement est destinée à traverser les trous primaires 17 et les trous de dilution 18. De cette manière, de l'air est injecté à la fois autour de la tête d'injection 9, au travers du système d'injection 11, et au travers des trous primaires 17, de façon à ce que le mélange air/carburant soit présent dans la partie amont de la chambre 1, dans des proportions sensiblement stoechiométriques. Ceci permet d'obtenir un bon rendement de combustion et une vitesse de réaction maximale. Les gaz chauds issus de la combustion sont mélangés, en aval des trous primaires 17, à de l'air plus froid traversant les trous de dilution 18. Le profil de température des gaz sortant de la chambre de combustion 1 peut ainsi être ajusté en fonction des contraintes thermiques. La chambre de combustion 1 peut être décomposée en autant de secteurs angulaires que d'injecteurs 9. On supposera dans ce qui suit que 20 la chambre de combustion comporte vingt injecteurs 9. Cette chambre 1 peut donc être décomposée en vingt secteurs angulaires s'étendant chacun circonférentiellement sur 18°. L'utilisation des secteurs angulaires est une vue de l'esprit permettant de faciliter la description de la chambre de combustion 1. En effet, il ne s'agit pas nécessairement de secteurs 25 angulaires réellement distincts, fixés les uns aux autres. On définit par la référence P1 le plan radial passant par l'axe de l'injecteur, par P2 et P'2 les plans radiaux formant respectivement un angle orienté de +4,5° et de - 4,5° par rapport au plan P1 et par P3 et P'3 les plans radiaux formant respectivement un angle de +9° et - 9° par rapport au plan 30 P1, c'est-à-dire les plans passant par les extrémités circonférentielles du secteur correspondant 23.

Dans la forme de réalisation des figures 2 et 3, les parois interne 3 et externe 4 du secteur 23 comportent chacune trois trous de dilution 18. Pour chacune des surfaces interne 3 et externe 4, un trou de dilution 18a, dit central, est formé à l'intersection de la circonférence 20 des trous de dilution et du plan P1. Deux autres trous de dilution 18b sont aux intersections de la circonférence 20 et des plans P2 et P'2, respectivement. Toutefois, comme indiqué ci-dessus, les gaz de combustion sont mieux refroidis dans la partie radialement interne de la chambre de combustion 1 que dans la partie radialement externe.

Les causes de ce phénomène sont illustrées schématiquement à la figure 3. Sur cette figure, on remarque que l'air pénétrant dans la chambre de combustion 1 par les trous de dilution 18 de la paroi interne 3 est réparti de manière relativement uniforme dans toute la partie radialement interne de la chambre 1. Par contre, l'air froid qui pénètre par les trous de dilution 18 de la paroi externe 4 n'est pas réparti de manière uniforme car les zones situées aux extrémités circonférentielles sont dépourvues de trous de dilution et sont peu alimentées en air froid.

Les gaz chauds issus de la combustion sont mal refroidis dans ces zones d'extrémité 24, de sorte que le flux de gaz sortant de la chambre de combustion 1 ne présente pas le profil de température recherché. Afin de remédier à cela, il a été envisagé d'utiliser des parois interne 3 et externe 4 comportant chacune quatre trous par secteur angulaire 23, comme cela visible aux figures 4 et 5. Dans cette forme de réalisation, chacune des parois interne 3 et externe 4 comporte un trou de dilution central 18a, situé à l'intersection de la circonférence 20 des trous de dilution et du plan P1. Deux autres trous de dilution 18b sont situés aux intersections de la circonférence 20 et des plans P2 et P'2, respectivement. Enfin, deux demi-trous 18c sont situés aux intersections de la circonférence 20 et des plans P3 et P'3. Les deux demi- trous 18c forment, avec les demi-trous des secteurs angulaires adjacents, des trous complets similaires aux trous 18b par exemple. Comme indiqué précédemment, la Demanderesse a toutefois constaté que, dans cette forme de réalisation, les gaz chauds issus de la combustion sont correctement refroidis au niveau de la partie radialement externe de la chambre 1, mais plus au niveau de la partie radialement interne. En effet, comme cela est représenté schématiquement à la figure 5, l'augmentation du nombre de trous de dilution 18 de la paroi interne 3 réduit la pénétration de l'air froid traversant ces trous 18 dans les gaz chauds issus de la combustion (pour un même débit d'air de refroidissement). L'air froid est donc mélangé moins efficacement au flux des gaz chauds, dans la partie radialement interne de la chambre de combustion 1.

L'invention vise à remédier aux inconvénients précités, en proposant une chambre de combustion 1 dans laquelle la paroi externe 4 comporte plus de trous de dilution 18 que la paroi interne 3. Une forme de réalisation de l'invention est illustrée aux figures 6 et 7. Dans celle-ci, pour chaque secteur angulaire 23, la paroi externe 4 de la chambre comporte quatre trous de dilution et la paroi interne 3 comporte trois trous de dilution. Plus particulièrement, la paroi externe 4 comporte un trou de dilution central 18a, situé à l'intersection de la circonférence 20 des trous de dilution et du plan P1. Deux autres trous de dilution 18b sont situés aux intersections de la circonférence 20 et des plans P2 et P'2, respectivement. Enfin, deux demi-trous 18c sont situés aux intersections de la circonférence 20 et des plans P3 et P'3. Les deux demi-trous 18c forment, avec les secteurs angulaires adjacents, des trous complets similaires aux trous 18b. En outre, la paroi interne 3 comporte un trou de dilution 18a, dit central, à l'intersection de la circonférence 20 des trous de dilution et du plan P1. Deux autres trous de dilution 18b se trouvent aux intersections de la circonférence 20 et des plans P2 et P'2, respectivement. Les diamètres des trous de dilution centraux 18a des parois interne 3 et externe 4 sont plus importants que les diamètres des autres trous de dilution 18b, 18c desdites parois. Plus particulièrement, le diamètre du trou de dilution central 18a de la paroi externe 4 est compris entre 6 et 7 mm, le diamètre des trous 18b de la paroi externe est compris entre 5 et 6 mm et le diamètre des demi-trous 18c de la paroi externe 4 est compris entre 4 et 5 mm.

En outre, le diamètre du trou central 18a de la paroi interne 3 est compris entre 7 et 8 mm, le diamètre des autres trous de dilution 18b de la paroi interne 3 étant compris entre 6 et 7 mm. Une telle chambre de combustion 1 permet de mélanger efficacement et de manière déterminée les gaz chauds issus de la combustion à l'air plus froid, provenant du compresseur et traversant les trous de dilution 18. Ceci permet d'obtenir, en sortie de la chambre de combustion 1 ou à l'entrée de la turbine, le profil de température recherché.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Chambre annulaire de combustion (1) de turbomachine comportant une paroi interne (3) et une paroi externe (4) de révolution, reliées par un fond de chambre (5) équipé de moyens d'injection (9, 10) de carburant, lesdites parois interne (3) et externe (4) comportant chacune des trous primaires (17) et des trous de dilution (18) situés en aval des trous primaires (17) par rapport au sens d'écoulement des gaz, lesdits trous primaires (17) et de dilution (18) étant régulièrement répartis sur la circonférence des parois interne (3) et externe (4), caractérisée en ce que la paroi externe (4) comporte plus de trous de dilution (18) que la paroi interne (3).
2. 2. Chambre de combustion (1) selon la revendication 1, comportant n injecteurs (9, 10) et étant divisée en n secteurs angulaires (23), caractérisée en ce que la paroi externe (4) comporte quatre trous de dilution (18) par secteur angulaire (23) et la paroi interne (3) comporte trois trous de dilution (18) par secteur angulaire (23).
3. 3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que, dans chaque secteur angulaire (23), la paroi externe (4) comporte un trou de dilution central (18a), situé dans un plan radial (P1) orienté suivant l'axe de l'injecteur correspondant, deux demi-trous (18c) de dilution situés aux extrémités circonférentielles du secteur angulaire (23), et deux autres trous de dilution (18b), dits médians, situés de part et d'autre dudit plan radial (P1), entre le trou central (18a) et les demi-trous d'extrémité (18c).
4. 4. Chambre de combustion (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le diamètre du trou de dilution central (18a) de chaque secteur de la paroi externe (4) est plus important que le diamètre des autres trous de dilution (18b, 18c) de ce secteur.
5. 5. Chambre de combustion (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le diamètre du trou central (18a) du secteur de paroiexterne (4) est compris entre 6 et 7 mm, le diamètre des trous médians (18b) de ce secteur est compris entre 5 et 6 mm et le diamètre des demi-trous d'extrémité (18c) est compris entre 4 et 5 mm.
6. 6. Chambre de combustion (1) selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que, dans chaque secteur angulaire (23), la paroi interne (3) comporte un trou de dilution central (18a), situé dans le plan radial (P1) orienté suivant l'axe de l'injecteur correspondant (9, 10), deux autres trous de dilution (18b) étant situés de part et d'autre dudit plan radial (P1).
7. 7. Chambre de combustion (1) selon l'une des revendication 3 à 6, caractérisée en ce que les trous de dilution (18b) de la ou de chaque paroi (3, 4), situés de part et d'autre du plan radial (P1), sont alignés sur une même circonférence (20), et sont par exemple chacun situés dans un second plan radial (P2, P'2) formant respectivement un angle de +4,5° et de -4,5° par rapport au plan radial précité (P1).
8. 8. Chambre de combustion (1) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le diamètre du trou de dilution central (18a) du secteur de paroi interne (3) est plus important que le diamètre des autres trous de dilution (18b) de ce secteur .
9. 9. Chambre de combustion (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que le diamètre du trou central (18a) du secteur de paroi interne (3) est compris entre 7 et 8 mm, le diamètre des autres trous de dilution (18b) de ce secteur étant compris entre 6 et 7 mm.
10. 10. Turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant une chambre de combustion (1) selon l'une des revendications 1 à 9.