FR3015010A1 - Paroi annulaire pour chambre de combustion de turbomachine comprenant des orifices de refroidissement a effet contra-rotatif - Google Patents

Paroi annulaire pour chambre de combustion de turbomachine comprenant des orifices de refroidissement a effet contra-rotatif Download PDF

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Abstract

Il est proposé une paroi annulaire (14) pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant des orifices de refroidissement (40) destinés à permettre la circulation d'air de refroidissement au travers de la paroi annulaire et présentant chacun un axe d'injection d'air (42) orienté orthogonalement à un axe longitudinal (18) de la paroi annulaire. Les orifices de refroidissement se répartissent en des premières rangées annulaires (44) d'orifices de refroidissement orientés dans une première direction circonférentielle (C1) depuis une face extérieure (46) jusqu'à une face intérieure (48) de la paroi annulaire, et en des deuxièmes rangées annulaires (50) d'orifices de refroidissement orientés dans une seconde direction circonférentielle (C2) opposée à la première direction circonférentielle depuis la face extérieure jusqu'à la face intérieure de la paroi annulaire.

Description

PAROI ANNULAIRE POUR CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE COMPRENANT DES ORIFICES DE REFROIDISSEMENT A EFFET CONTRA-ROTATIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des chambres annulaires de combustion des turbomachines, telles que celles qui équipent les aéronefs. Elle concerne plus particulièrement les orifices d'entrée d'air de refroidissement ménagés dans les parois annulaires coaxiales de ces chambres de combustion pour créer un film d'air frais le long de la face intérieure chaude de ces parois. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les turbomachines comprennent au moins une turbine agencée en sortie d'une chambre de combustion pour extraire de l'énergie d'un flux primaire de gaz éjectés par cette chambre de combustion et entraîner un compresseur disposé en amont de la chambre de combustion et alimentant cette chambre en air sous pression. La figure 1 annexée représente un exemple typique de chambre de combustion 10 de turbomachine, comprenant deux parois annulaires coaxiales, respectivement radialement interne 12 et radialement externe 14, qui s'étendent de l'amont vers l'aval, selon le sens 16 d'écoulement du flux primaire de gaz dans la turbomachine, autour de l'axe 18 de la chambre de combustion, et qui sont reliées entre elles à leur extrémité amont par une paroi annulaire 20 de fond de chambre qui s'étend sensiblement radialement autour de l'axe 18 précité. Cette paroi annulaire de fond de chambre 20 est équipée de systèmes d'injection 22 répartis autour de cet axe 18 pour permettre une amenée d'air dans la chambre de combustion ainsi que l'injection de carburant selon un axe d'injection 23.
D'une manière générale, les chambres de combustion se décomposent en une région interne amont 24, couramment appelée zone primaire, et une région interne aval 26, couramment appelée zone de dilution. La zone primaire 24 est prévue pour la combustion du mélange d'air et de carburant et est alimentée en air non seulement par les systèmes d'injection 22 mais aussi par des orifices d'entrée d'air 28, couramment appelés « orifices primaires », ménagés dans les parois coaxiales 12 et 14 de la chambre autour de la zone primaire 24, et répartis en une ou plusieurs rangées annulaires. La zone de dilution 26 est prévue pour la dilution et le refroidissement des gaz issus de la combustion, et pour conférer au flux de ces gaz un profil thermique optimal en vue de son passage dans la turbine montée en aval de la chambre de combustion. Pour cela, les parois coaxiales 12 et 14 de la chambre de combustion comportent, en aval des orifices primaires 28 précités, au moins une rangée d'orifices d'entrée d'air 30, couramment appelés « orifices de dilution ».
En fonctionnement, une partie 32 d'un flux d'air 34 provenant d'une sortie de compresseur 36 alimente les systèmes d'injection 22 tandis qu'une autre partie 38 de ce flux d'air contourne la chambre de combustion en s'écoulant vers l'aval le long des parois coaxiales 12 et 14 de cette chambre et permet notamment l'alimentation des orifices primaires 28 et de dilution 30.
Il est en général nécessaire de refroidir les parois annulaires coaxiales 12, 14 des chambres de combustion, compte-tenu des températures élevées atteintes par les gaz au cours de la combustion. A cet effet, la multiperforation est une technique connue résidant dans la formation d'une pluralité d'orifices de refroidissement ou micro-perforations dans certaines régions des parois coaxiales 12, 14 des chambres de combustion. Ces petits orifices ont un diamètre généralement compris entre 0,3 mm et 0,8 mm, et par exemple égal à 0,6 mm. Ces orifices de refroidissement présentent en général un axe d'injection d'air incliné par rapport à la normale à la paroi. Une partie du flux d'air 38 relativement frais contournant ces chambres de combustion peut y pénétrer par ces orifices de refroidissement et constituer un film d'air relativement frais le long des faces intérieures des parois coaxiales 12 et 14. De tels orifices de refroidissement peuvent être configurés pour injecter l'air de refroidissement sensiblement selon le plan axial, de l'amont vers l'aval.
Toutefois, cette configuration ne permet pas toujours une efficacité optimale du refroidissement des parois de la chambre de combustion, notamment du fait d'un temps de séjour insuffisant de l'air de refroidissement dans la chambre de combustion. De plus, l'expérience a montré que le long de chaque rangée longitudinale de tels orifices de refroidissement, les sillages formés par l'air injecté permettent une protection thermique efficace de la paroi concernée de la chambre de combustion, mais qu'entre deux rangées longitudinales de tels orifices de refroidissement, l'air de refroidissement se mélange prématurément avec les gaz de combustion et ne permet pas une protection thermique optimale de la paroi. Ainsi, sur une paroi de chambre de combustion ayant déjà fonctionné un certain temps, des traces de dépôts de suie sont généralement observables entre les rangées longitudinales d'orifices de refroidissement. Une autre solution connue, qui permet d'accroître le temps de séjour de l'air de refroidissement dans la chambre de combustion, consiste à utiliser des orifices de refroidissement configurés pour injecter l'air de refroidissement selon une direction sensiblement orthogonale à l'écoulement des gaz de combustion dans la chambre. Une telle solution permet en outre d'induire davantage d'effets de fractionnement du flux des gaz de combustion à proximité de la paroi de la chambre de combustion, ce qui est également bénéfique pour la protection thermique de cette paroi.
Toutefois, entre deux rangées circonférentielles consécutives de tels orifices de refroidissement, il apparaît également que l'air de refroidissement se mélange prématurément avec les gaz de combustion et ne permet pas une protection thermique optimale de la paroi. Ainsi, sur une paroi de chambre de combustion ayant déjà fonctionné un certain temps, des traces de dépôts de suie peuvent être observées entre les rangées circonférentielles d'orifices de refroidissement.
De plus, l'injection d'air de refroidissement selon une direction orthogonale à l'écoulement des gaz de combustion est susceptible de provoquer une giration des gaz de combustion autour de l'axe longitudinal de la chambre de combustion. Or une telle giration n'est en général pas souhaitable compte tenu du profil des aubes agencées en sortie de la chambre de combustion. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter au moins en partie les inconvénients précités.
L'invention propose à cet effet une paroi annulaire pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant des orifices de refroidissement destinés à permettre la circulation d'air de refroidissement au travers de la paroi annulaire et présentant chacun un axe d'injection d'air orienté orthogonalement à un axe longitudinal de la paroi annulaire.
Selon l'invention, les orifices de refroidissement se répartissent en des premières rangées annulaires d'orifices de refroidissement orientés dans une première direction circonférentielle depuis une face extérieure jusqu'à une face intérieure de ladite paroi annulaire, et en des deuxièmes rangées annulaires d'orifices de refroidissement orientés dans une seconde direction circonférentielle opposée à la première direction circonférentielle depuis la face extérieure jusqu'à la face intérieure de ladite paroi annulaire. Les premières rangées annulaires et les deuxièmes rangées annulaires d'orifices de refroidissement permettent l'injection de flux d'air de refroidissement circulant circonférentiellement dans des sens respectifs opposés, c'est à dire de manière contrarotative. Dans une chambre de combustion équipée de ladite paroi annulaire, les effets d'entraînement giratoire des gaz de combustion respectivement induits par ces flux d'air tendent à se compenser, de sorte que l'invention permet d'éviter sensiblement l'induction d'une composante giratoire globale au sein de ces gaz de combustion. Ces gaz de combustion peuvent ainsi présenter en sortie de la chambre de combustion, en fonction de la configuration générale de cette chambre de combustion, une giration nulle ou une giration identique à la giration que ces gaz présenteraient en l'absence d'orifices de refroidissement. Dans les deux cas, l'angle d'incidence des gaz de combustion sur des aubes disposées en sortie de la chambre de combustion est ainsi optimisé. De plus, l'interaction entre les flux d'air de refroidissement circulant dans des directions circonférentielles opposées améliore la dispersion de cet air de refroidissement et donc l'homogénéité du refroidissement de la paroi annulaire. Le risque d'apparition de zones plus chaudes de la paroi annulaire en fonctionnement se trouve ainsi réduit. Enfin, l'injection de l'air de refroidissement selon une direction orthogonale à l'axe longitudinal de la paroi annulaire permet, de manière connue en soi, d'accroître le temps de séjour de cet air de refroidissement dans la chambre de combustion équipée de cette paroi annulaire et donc d'améliorer encore l'efficacité du refroidissement de cette dernière. L'invention permet ainsi de manière générale d'améliorer la fiabilité et la durée de vie de la paroi annulaire, tout en réduisant son coût de maintenance. Dans une premier mode de réalisation préféré de l'invention, les premières rangées annulaires et les deuxièmes rangées annulaires d'orifices de refroidissement sont agencées en alternance le long de la paroi annulaire. Dans un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, les premières rangées annulaires et les deuxièmes rangées annulaires d'orifices de refroidissement se répartissent en des premiers groupes comprenant chacun au moins deux premières rangées annulaires d'orifices de refroidissement consécutives, et en des deuxièmes groupes comprenant chacun au moins deux deuxièmes rangées annulaires d'orifices de refroidissement consécutives, les premiers groupes et les deuxièmes groupes étant agencés en alternance le long de la paroi annulaire. D'une manière générale, les orifices de refroidissement de chaque rangée annulaire sont avantageusement décalés circonférentiellement par rapport aux 30 orifices de refroidissement des rangées annulaires consécutives d'orifices de refroidissement, de sorte que l'ensemble des orifices de refroidissement soit agencé en quinconce. Par ailleurs, la paroi annulaire comprend de préférence un nombre identique de premières rangées annulaires et de deuxièmes rangées annulaires d'orifices de refroidissement. L'invention concerne également une chambre de combustion annulaire pour turbomachine, comprenant deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, raccordées l'une à l'autre par une paroi annulaire de fond de chambre, et dans laquelle l'une au moins desdites parois annulaires coaxiales est une paroi du type décrit ci-dessus. L'invention concerne enfin une turbomachine, comprenant une chambre annulaire de combustion du type décrit ci-dessus.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une chambre de combustion annulaire de turbomachine pour aéronef selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 2 est une vue schématique partielle de dessus d'une paroi annulaire radialement externe de la chambre de combustion de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe transversale, selon le plan III- III de la figure 2, de la paroi annulaire radialement externe de la chambre de combustion de la figure 1; la figure 4 est une vue semblable à la figure 2, d'une paroi annulaire radialement externe d'une chambre de combustion annulaire de turbomachine pour aéronef selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Les figures 2 et 3 concernent une chambre de combustion annulaire selon le premier mode de réalisation préféré de l'invention, qui est globalement semblable à la chambre de combustion de la figure 1 mais qui s'en distingue par la configuration des orifices de refroidissement ménagés dans les parois annulaires coaxiales de la chambre de combustion. Les figures 2 et 3 illustrent en particulier une partie de la paroi annulaire 14 radialement externe de la chambre de combustion. Comme cela apparaît sur ces figures, les orifices de refroidissement 40 présentent chacun un axe d'injection d'air 42 orienté orthogonalement à l'axe longitudinal de la paroi annulaire, qui se confond avec l'axe 18 de la chambre de combustion.
Lorsque la paroi annulaire 14 est vue en section transversale comme sur la figure 3, l'axe d'injection d'air 42 de chaque orifice de refroidissement 40 est incliné par rapport à la direction normale locale N d'un angle 0 par exemple égal à 60 degrés environ, et plus généralement compris entre 30 degrés et 70 degrés. Selon l'invention, les orifices de refroidissement se répartissent en des premières rangées annulaires 44 d'orifices de refroidissement orientés dans une première direction circonférentielle Cl depuis une face extérieure 46 jusqu'à une face intérieure 48 de la paroi annulaire 14, et en des deuxièmes rangées annulaires 50 d'orifices de refroidissement orientés dans une seconde direction circonférentielle C2 opposée à la première direction circonférentielle Cl, depuis la face extérieure 46 jusqu'à la face intérieure 48 de la paroi annulaire. Sur la figure 2, l'extrémité radialement externe 51a de chaque orifice de refroidissement 40, s'inscrivant dans la face extérieure 46 de la paroi annulaire, est représentée par un cercle en trait plein, tandis que l'extrémité radialement interne 51b de chaque orifice de refroidissement 40, s'inscrivant dans la face intérieure 48 de la paroi annulaire, est représentée par un cercle en trait interrompu. L'extension 51c de chaque orifice de refroidissement 40 dans l'épaisseur de la paroi annulaire est également représentée en trait interrompu. Sur la figure 3, les orifices de refroidissement d'une première rangée 44 sont centrés dans le plan de coupe qui est le plan III-III de la figure 2, et sont représentés en trait plein. Les orifices de refroidissement d'une deuxième rangée 50 située immédiatement en aval du plan de coupe sont représentés en trait interrompu. Dans le premier mode de réalisation préféré illustré par les figures 2 et 3, les premières rangées annulaires 44 et les deuxièmes rangées annulaires 50 d'orifices de refroidissement 40 sont agencées en alternance le long de la paroi annulaire 14. Dans l'exemple particulier illustré sur ces figures, les orifices de refroidissement 40 de chaque rangée annulaire 44, 50 sont décalés circonférentiellement par rapport aux orifices de refroidissement appartenant aux rangées annulaires consécutives d'orifices de refroidissement, c'est à dire les deux rangées annulaires d'orifices de refroidissement qui sont situées respectivement immédiatement en amont et immédiatement en aval de la rangée annulaire considérée d'orifices de refroidissement. L'ensemble des orifices de refroidissement est ainsi avantageusement agencé en quinconce. Comme indiqué ci-dessus, la figure 2 n'illustre qu'une partie de la paroi annulaire 14. Cette paroi annulaire comprend ainsi un nombre plus important de rangées d'orifices de refroidissement 40, ce nombre étant en général compris entre 10 et 500. La figure 4 illustre la paroi annulaire radialement externe 14 d'une chambre de combustion selon le deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, dans lequel les premières rangées annulaires 44 et les deuxièmes rangées annulaires 50 d'orifices de refroidissement 40 se répartissent en des premiers groupes 52 comprenant chacun deux premières rangées annulaires 44 d'orifices de refroidissement consécutives, et en des deuxièmes groupes 54 comprenant chacun deux deuxièmes rangées annulaires 50 d'orifices de refroidissement consécutives. Comme le montre la figure 4, les premiers groupes 52 et les deuxièmes groupes 54 sont agencés en alternance le long de la paroi annulaire 14.
Bien entendu, le nombre de rangées annulaires d'orifices de refroidissement 40 appartenant à chacun des premiers et deuxièmes groupes 52, 54 peut être supérieur à deux. Ce nombre est de préférence identique pour les deux types de groupes 52 et 54.
D'une manière générale, les premières rangées annulaires 44 et les deuxièmes rangées annulaires 50 d'orifices de refroidissement permettent l'injection de flux d'air de refroidissement giratoires de sens opposés. L'effet d'entraînement giratoire des gaz de combustion induit par ces flux d'air tend à se compenser, de sorte que l'invention permet d'éviter sensiblement l'induction d'une composante giratoire globale au sein des gaz de combustion circulant à l'intérieur de la chambre de combustion. Le nombre de première rangées annulaires 44 d'orifices de refroidissement est avantageusement égal au nombre de deuxièmes rangées annulaires 50 d'orifices de refroidissement de manière à maximiser l'effet contrarotatif et à minimiser ainsi l'effet d'entraînement giratoire des gaz de combustion. De plus, l'interaction entre les flux d'air de refroidissement circulant dans des directions circonférentielles opposées améliore la dispersion de cet air de refroidissement et donc l'homogénéité du refroidissement de la paroi annulaire 14. Le risque d'apparition de zones plus chaudes de la paroi annulaire en fonctionnement se trouve ainsi réduit. Enfin, l'injection de l'air de refroidissement selon une direction orthogonale à l'axe 18 de la chambre de combustion permet, de manière connue en soi, d'accroître le temps de séjour de cet air de refroidissement dans la chambre de combustion et donc d'améliorer l'efficacité du refroidissement de la paroi considérée.
II est à comprendre que l'agencement des orifices de refroidissement 40 proposé par l'invention peut ne pas concerner la paroi radialement externe 14 mais concerner la paroi radialement interne 12 de la chambre de combustion, et concerne de préférence les deux parois annulaires 12 et 14 simultanément.30

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Paroi annulaire (12, 14) pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant des orifices de refroidissement (40) destinés à permettre la circulation d'air de refroidissement au travers de la paroi annulaire et présentant chacun un axe d'injection d'air (42) orienté orthogonalement à un axe longitudinal (18) de la paroi annulaire, caractérisée en ce que les orifices de refroidissement se répartissent en des premières rangées annulaires (44) d'orifices de refroidissement orientés dans une première direction circonférentielle (C1) depuis une face extérieure (46) jusqu'à une face intérieure (48) de ladite paroi annulaire, et en des deuxièmes rangées annulaires (50) d'orifices de refroidissement orientés dans une seconde direction circonférentielle (C2) opposée à la première direction circonférentielle depuis la face extérieure jusqu'à la face intérieure de ladite paroi annulaire.
  2. 2. Paroi annulaire selon la revendication 1, dans laquelle les premières rangées annulaires (44) et les deuxièmes rangées annulaires (50) d'orifices de refroidissement (40) sont agencées en alternance le long de la paroi annulaire (14).
  3. 3. Paroi annulaire selon la revendication 1, dans laquelle les premières rangées annulaires (44) et les deuxièmes rangées annulaires (50) d'orifices de refroidissement (40) se répartissent en des premiers groupes (52) comprenant chacun au moins deux premières rangées annulaires (44) d'orifices de refroidissement consécutives, et en des deuxièmes groupes (54) comprenant chacun au moins deux deuxièmes rangées annulaires (50) d'orifices de refroidissement consécutives, les premiers groupes (52) et les deuxièmes groupes (54) étant agencés en alternance le long de la paroi annulaire (14).
  4. 4. Paroi annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les orifices de refroidissement (40) de chaque rangée annulaire (44, 50) sont décalés circonférentiellement par rapport aux orifices de refroidissement des rangées annulaires consécutives d'orifices de refroidissement, de sorte que l'ensemble des orifices de refroidissement (40) est agencé en quinconce.
  5. 5. Paroi annulaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant un nombre identique de premières rangées annulaires (44) et de deuxièmes rangées annulaires (50) d'orifices de refroidissement (40).
  6. 6. Chambre de combustion annulaire pour turbomachine, comprenant deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne (12) et externe (14), raccordées l'une à l'autre par une paroi annulaire de fond de chambre (20), caractérisée en ce que l'une au moins desdites parois annulaires coaxiales est une paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  7. 7. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre annulaire de combustion (10) selon la revendication précédente.15
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