FR3019270A1 - Paroi annulaire de chambre de combustion a orifices de refroidissement ameliores au niveau des jonctions brides - Google Patents

Abstract

Paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine, comportant un côté froid (16a, 18a) et un côté chaud (16b, 18b) et au moins une pluralité d'orifices de refroidissement giratoire répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres et dont les axes géométriques disposés dans un plan perpendiculaire à une direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion sont inclinés par rapport à une normale N à la paroi annulaire, et en outre en aval de la pluralité de rangées d'orifices de refroidissement giratoire et immédiatement en amont d'une bride de liaison à une enveloppe annulaire de la chambre de combustion, au moins une rangée d'orifices de refroidissement axial (36) dont les axes géométriques sont inclinés, dans la direction axiale D, par rapport à une normale N à la paroi annulaire, les orifices de refroidissement axial étant chacun pourvus du côté chaud d'un évasement (42) dans la direction axiale D, de sorte à assurer une sortie du film d'air de refroidissement plus proche de la tangente à la paroi chaude.

Description

0 192 70 1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des chambres de combustion de turbomachine. Elle vise plus particulièrement une paroi annulaire pour chambre de combustion directe ou à flux inversé refroidie par un procédé dit de «multiperforation». Typiquement, une chambre de combustion annulaire de turbomachine est formée d'une paroi annulaire interne (dite aussi virole interne) et d'une paroi annulaire externe (dite aussi virole externe) qui en aval sont reliées respectivement aux enveloppes interne et externe du carter de chambre au moyen de brides (ou appuis, lesquels ne sont pas percés) et en amont à une paroi transversale formant fond de chambre.

Les viroles interne et externe sont chacune pourvues d'une pluralité de trous et d'orifices divers permettant à de l'air circulant autour de la chambre de combustion de pénétrer à l'intérieur de celle-ci. Ainsi, des trous dits « primaires » et « de dilution » sont formés dans ces viroles pour acheminer de l'air à l'intérieur de la chambre de combustion. L'air empruntant les trous primaires contribue à créer un mélange air/carburant qui est brûlé dans la chambre, tandis que l'air provenant des trous de dilution est destiné à favoriser la dilution de ce même mélange air/carburant. Les viroles interne et externe sont soumises aux températures 25 élevées des gaz provenant de la combustion du mélange air/carburant. Afin d'assurer leur refroidissement, des orifices supplémentaires dits de multiperforation sont également percés au travers de ces viroles sur toute leur surface. Ces orifices de multiperforation qui permettent à l'air circulant à l'extérieur de la chambre de pénétrer à l'intérieur de celle- 30 ci en formant le long des viroles des films d'air de refroidissement sont en général de type axial en amont des trous de dilution et de type giratoire en aval de ceux-ci. Or, cette multiperforation giratoire en aval des trous de dilution implique de fortes contraintes sur le niveau résiduel de giration en sortie 35 de la chambre de combustion et pénalise donc le rendement du distributeur Haute Pression (DHP) qui la prolonge, dégradant ainsi la consommation globale du moteur. C'est pourquoi, il est connu de revenir à une multiperforation axiale sur les dernières rangées d'orifices de chacune des viroles interne et externe située directement en amont des brides assurant la liaison avec les carters de chambre. Il en résulte un déficit de refroidissement très nuisible dans cette zone critique qui implique un risque important de formation rapide de criques (sous une double action en fluage et fatigue) qu'il convient donc d'éviter ou au moins de réduire de façon notable.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en optimisant le refroidissement en aval des multiperforations giratoires avec une paroi annulaire de chambre de combustion qui assure un refroidissement adéquat des zones situées directement en amont des brides de liaison au carter de la chambre de combustion. A cet effet, il est prévu une paroi annulaire de chambre de combustion de turbomachine, comportant un côté froid et un côté chaud, ladite paroi annulaire comportant : . au moins une pluralité d'orifices de refroidissement giratoire répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres, les axes géométriques de chacun desdits orifices de refroidissement giratoire étant disposés dans un plan perpendiculaire à une direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion et inclinés par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre en aval de ladite pluralité de rangées d'orifices de refroidissement giratoire et immédiatement en amont d'une bride de liaison à une enveloppe annulaire de ladite chambre de combustion, au moins une rangée d'orifices de refroidissement axial dont les axes géométriques sont inclinés, dans ladite direction axiale D, par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire, lesdits orifices de refroidissement axial étant chacun pourvus du côté chaud d'un évasement dans ladite direction axiale D, de sorte à assurer une sortie dudit film d'air de refroidissement plus proche de la tangente à ladite paroi chaude. En passant d'un perçage cylindrique conventionnel à un perçage à orifice évasé, l'efficacité adiabatique du film de multiperforation à l'aval des orifices de refroidissement est améliorée et le matelas d'air frais 3 0 1 9 2 7 0 3 généré en aval de la rangée est mieux canalisé et permet une protection thermique plus efficace. Avantageusement, ledit évasement comporte un angle a d'inclinaison par rapport à l'axe géométrique dudit orifice de 5 refroidissement axial compris entre 15 et 40°. Selon un mode de réalisation avantageux, ledit évasement desdits orifices de refroidissement axial est aussi pratiqué dans une direction transversale par rapport à ladite direction axiale D, de sorte à augmenter le recouvrement transversal dudit film d'air de refroidissement. 10 Ledit évasement comporte alors de préférence un angle [3 d'ouverture maximal par rapport à ladite direction axiale D compris entre 7,5 et 20°. Avantageusement, il est prévu deux rangées d'orifices de refroidissement axial espacées d'une distance au moins égale à 1,5 mm et lesdits évasements sont espacés entre eux selon une direction 15 perpendiculaire à ladite direction axiale D d'une distance au moins égale à 0,5 mm De préférence, elle comporte en outre au niveau d'une zone de transition entre ladite pluralité de rangées d'orifices de refroidissement giratoire et ladite au moins une rangée d'orifices de refroidissement axial, 20 au moins deux rangées d'orifices de refroidissement additionnels dont les axes géométriques sont inclinés d'une inclinaison déterminée par rapport audit plan perpendiculaire à ladite direction axiale D. Selon le mode de réalisation envisagée, elle peut comporter deux rangées d'orifices de refroidissement additionnels ayant une 25 inclinaison de 30° pour la première et de 60° pour la seconde ou encore plusieurs rangées d'orifices de refroidissement additionnels dont les inclinaisons respectives différentes sont réparties régulièrement entre 0° et 90°. Cette zone de transition multiperforation giratoire-axiale permet 30 en lissant les écoulements de réduire le gradient thermique à l'origine d'amorçage de criques. Le profil de température moyen en sortie de chambre est amélioré du fait du mélange plus efficace ainsi obtenu. La présente invention a également pour objet une chambre de combustion et une turbomachine ayant une chambre de combustion 35 comportant une paroi annulaire telle que définie précédemment.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion de turbomachine dans son environnement ; - la figure 2 est une vue développée partielle de l'une des parois annulaires de la chambre de combustion de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe partielle de la paroi annulaire de la figure 2 autour des trous de dilution ; - la figure 4 est une vue de côté d'un orifice de refroidissement selon l'invention disposé directement en amont des brides ; - les figures 5A, 5B, 5C sont des vues de dessus de trois variantes de réalisation de l'orifice de refroidissement de la figure 4 ; et - la figure 6 est une vue de dessus partielle montrant les espaces longitudinal et azimutal existant entre deux rangées successives d'orifices.

Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre dans son environnement une chambre de combustion 10 pour turbomachine. Une telle turbomachine comporte notamment une section de compression (non représentée) dans laquelle de l'air est comprimé avant d'être injecté dans un carter de chambre 12, puis dans la chambre de combustion 10 montée à l'intérieur de celui-ci. L'air comprimé est introduit dans la chambre de combustion et mélangé à du carburant avant d'y être brûlé. Les gaz issus de cette combustion sont alors dirigés vers une turbine haute-pression 14 disposée en sortie de la chambre de combustion.

La chambre de combustion est de type annulaire. Elle est formée d'une paroi annulaire interne 16 et d'une paroi annulaire externe 18 qui sont reliées par brides au carter de chambre et réunies en amont par une paroi transversale 20 formant le fond de chambre. Elle peut être directe comme illustrée ou à flux inversé. Dans ce cas, un coude de retour est placé entre la chambre de combustion et le distributeur de turbine.

Les parois annulaires interne 16 et externe 18 s'étendent selon un axe longitudinal légèrement incliné par rapport à l'axe longitudinal 22 de la turbomachine. Le fond de chambre 20 est pourvu d'une pluralité d'ouvertures 20A dans lesquelles sont montés des injecteurs de carburant 24. Le carter de chambre 12, qui est formé d'une enveloppe interne 12a et d'une enveloppe externe 12b, ménage avec la chambre de combustion 10 des espaces annulaires 26 dans lequel est admis de l'air comprimé destiné à la combustion, à la dilution et au refroidissement de la chambre. Les parois annulaires interne 16 et externe 18 présentent chacune un côté froid 16a, 18a disposé du côté de l'espace annulaire 26 dans lequel circule l'air comprimé et un côté chaud 16b, 18b tourné vers l'intérieur de la chambre de combustion.

La chambre de combustion 10 se divise en une zone dite «primaire» (ou zone de combustion) et une zone dite «secondaire» (ou zone de dilution) située en aval de la précédente (l'aval s'entend par rapport à une direction générale axiale d'écoulement des gaz issus de la combustion du mélange air/carburant à l'intérieur de la chambre de combustion et matérialisée par la flèche D). L'air qui alimente la zone primaire de la chambre de combustion est introduit par une rangée circonférentielle de trous primaires 28 pratiqués dans les parois annulaires interne 16 et externe 18 de la chambre sur toute la circonférence de ces parois annulaires. Quant à l'air alimentant la zone secondaire de la chambre, il emprunte une pluralité de trous de dilution 30 également formés dans les parois annulaires interne 16 et externe 18 sur toute la circonférence de ces parois annulaires. Ces trous de dilution 30 sont alignés selon une rangée circonférentielle qui est décalée axialement vers l'aval par rapport aux rangées des trous primaires 28 et ils peuvent avoir des diamètres différents avec notamment une alternance de gros et petits trous comme illustrée sur la figure 2. Afin de refroidir les parois annulaires interne 16 et externe 18 de la chambre de combustion qui sont soumises aux températures élevées des gaz de combustion, il est prévu une pluralité d'orifices de refroidissement 32, 34, 36, 38 (illustrés sur les figures 2 à 5) qui assurent un refroidissement des parois 16, 18 par multiperforation. Dans le cas 3 0 1 9 2 7 0 6 d'une chambre à flux inversé (non représentée), le coude de retour comporte en général également une telle multiperforation. Une première série de ces orifices est répartie selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des 5 autres et couvrant toute la surface des parois annulaires de la chambre jusqu'en sortie des trous de dilution 30. Le nombre et le diamètre di de ces orifices de refroidissement 32 sont identiques dans chacune des rangées. Le pas pl entre deux orifices d'une même rangée est constant et peut être identique ou non 10 pour toutes les rangées. Par ailleurs, les rangées adjacentes d'orifices de refroidissement sont arrangées de façon à ce que les orifices 32 soient disposés en quinconce comme représenté sur la figure 2. Comme illustré sur la figure 3, les orifices de refroidissement 32 présentent généralement un angle d'inclinaison 81 par rapport à une 15 normale N à la paroi annulaire 16, 18 au travers de laquelle ils sont percés. Cette inclinaison 81 permet à l'air empruntant ces orifices de former un film d'air le long du côté chaud 16b, 18b de la paroi annulaire. Par rapport à des orifices non inclinés, elle permet d'augmenter la surface de la paroi annulaire qui est refroidie. En outre, l'inclinaison 81 des orifices 20 de refroidissement 32 est dirigée de sorte que le film d'air ainsi formé s'écoule dans le sens d'écoulement des gaz de combustion à l'intérieur de la chambre (schématisé par la flèche D sur la figure 2). Toutefois, dans le cadre de l'invention, en aval des trous de dilution 30 et répartis également selon plusieurs rangées circonférentielles, 25 est disposée une seconde série d'orifices de refroidissement (portant alors la référence 34) de façon à délivrer un film d'air s'écoulant dans une direction perpendiculaire à la direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion. Cette multiperforation qui sera qualifiée de multiperforation giratoire dans la suite de la description, par opposition à la 30 multiperforation axiale des orifices de refroidissement en amont des trous de dilution permet, en rapprochant les orifices de giration des trous de dilution, d'améliorer le refroidissement de la paroi annulaire. Les orifices 34 d'une même rangée présentent un même diamètre d2, identique ou non au diamètre dl des orifices de 35 refroidissement 32, sont espacés d'un pas p2 constant qui peut être identique ou non au pas pi entre les orifices de refroidissement 32 et présentent une inclinaison 02, identique ou non à l'inclinaison 01 des orifices de refroidissement 32 mais disposée dans un plan perpendiculaire. A titre d'exemple, pour une paroi annulaire 16, 18 réalisée en matériau métallique ou céramique et ayant une épaisseur comprise entre 5 0,6 et 3,5mm, le diamètre dl ou d2 des orifices de refroidissement peut être compris entre 0,3 et 1 mm, le pas dl ou d2 compris entre 1 et 10 mm et leur inclinaison 01 ou 02 comprise entre +30° et +70°, typiquement +60°. A titre de comparaison, pour une paroi annulaire ayant les mêmes caractéristiques, les trous primaires 28 et les trous de dilution 10 30 possèdent un diamètre de l'ordre de 4 à 20 mm. On notera que selon le besoin de refroidissement souhaité, au sein d'une même zone une différence d'angle d'inclinaison 8, de diamètre d et de pas p peut aussi être réalisée pour densifier ce refroidissement dans les parties les plus contraintes thermiquement, par exemple celles 15 juste en aval des gros orifices de dilution, lorsque ces derniers sont formés d'une alternance de gros et de petits orifices comme illustré à la figure 2. Afin de ne pas affecter le rendement du distributeur Haute Pression, il est nécessaire de diminuer le niveau local de giration par l'introduction au niveau d'une troisième série d'orifices (portant alors la 20 référence 36) d'une multiperforation axiale en sortie de chambre, plus précisément à partir d'un premier axe de transition 38A (figure 2) situé en amont du distributeur haute pression. De préférence, il est aussi conseillé de prévoir une zone de transition multiperforation giratoire-axiale depuis ce premier axe de transition jusqu'à un second 38B en amont, permettant 25 en lissant les écoulements de réduire le gradient thermique à l'origine d'amorçages de criques. Le profil de température moyen en sortie de chambre est amélioré du fait du mélange plus efficace ainsi obtenu. Cette zone de transition peut par exemple, comme illustrée, être réalisée sur deux rangées d'orifices de refroidissement additionnels 40 (sans que cet 30 exemple ne soit limitatif, une zone de transition avec trois rangées, l'inclinaison des orifices étant respectivement de 22,5°, 45° et 67,5° restant possible) chacun disposés, par exemple, dans un plan incliné l'un de 30° et l'autre de 60° par rapport à la direction axiale D, les autres paramètres, à savoir le diamètre d2, le pas p2 et l'inclinaison 82 de ces 35 orifices dans ces plans inclinés restant inchangés.

Selon l'invention, il est proposé de mieux utiliser le fluide (air) de refroidissement de cette multiperforation axiale disposée en sortie de la multiperforation giratoire, en passant d'un perçage cylindrique sur une première partie de la paroi à un perçage qui se prolonge sur une seconde partie de cette paroi en s'évasant à sa sortie dans la direction axiale D, de sorte à améliorer l'efficacité adiabatique du film de multiperforation à l'aval des orifices de refroidissement. En d'autres termes, le matelas d'air frais généré en aval d'une rangée est mieux canalisé et permet une protection thermique plus efficace. Les chargements thermiques vus par ces pièces (ou zones spatiales) sont fortement diminués afin d'améliorer leurs tenues thermo-mécaniques et durées de vies associées (à iso-contrainte mécanique). Pour ce faire et comme le montre la figure 4, les orifices de refroidissement 36 immédiatement en amont de la bride présentent sur une distance x (x>0) inférieure à la longueur L du perçage (typiquement x est compris entre 1/3 et 2/3L une première partie cylindrique assurant le calibrage du refroidissement et sur la longueur de perçage restante (L-x) une seconde partie se terminant du côté chaud 18A, 18b de la paroi annulaire par un évasement 42 lui donnant une forme sensiblement tronconique avec un angle d'inclinaison a par rapport à l'axe de l'orifice compris entre 15 et 40°, afin de « plaquer » le flux d'air contre la paroi chaude. Comme l'illustre la vue de dessus de la figure 5A, cet évasement 42 peut être pratiqué seulement dans la direction axiale D ou, comme le montrent les figures 5B et 5C aussi dans un plan transversal, cette partie tronconique comportant alors avantageusement un angle d'ouverture par rapport à la direction axiale D également compris entre 7,5 et 20°. Plus particulièrement, lorsque la zone de multiperforation axiale comporte au moins deux rangées d'orifices de refroidissement 36, comme l'illustre la figure 6, il est avantageux que ces orifices soient espacés en longitudinal et en azimut (selon la direction axiale D) d'une distance minimale (respectivement notés delta et gamma) telle que A > 0,5 mm et r > 1,5 mm.

Avec cette configuration évasée en sortie, les orifices de refroidissement 36 permettent d'obtenir une efficacité de film supérieure à 3 0 192 70 9 celle obtenue avec de simples orifices cylindriques de l'art antérieur. Cette augmentation de l'efficacité est due à une alimentation du film selon une injection plus proche de la tangente à la paroi chaude, un meilleur recouvrement transversal et une réduction du rapport des quantités de 5 mouvement pour un même taux de soufflage (soit le rapport des quantités de mouvement entre le côté chaud et le côté froid). La vitesse du jet en sortie est ainsi réduite et l'adhérence du film à la paroi chaude est favorisée limitant le risque de sortie du film de la couche limite. Ainsi, les inventeurs ont pu noter que pour des taux de 10 soufflage faibles (ce qui est en général le cas dans les zones en amont des brides), l'efficacité d'une émission à partir d'une seule rangée d'orifices conforme à l'invention s'avère même supérieure à celle d'une double rangée à trous cylindriques classiques. Une estimation du gain apporté par l'invention a été obtenue 15 par un calcul thermique de la chambre de combustion au niveau des multiperforations axiales de sa virole interne. On note un abaissement de l'ordre de 10 à 50 °C pour la température de ce matériau. Le gain estimé en temps de résistance en fluage (c'est à dire en durée de vie de la zone d'intérêt) peut varier du simple au double (en fonction notamment du 20 niveau de contrainte mécanique associé et en faisant l'hypothèse d'un matériau métallique de type alliage à base nickel). Ainsi, avec l'invention, on optimise le refroidissement par une multiperforation plus efficace, on diminue les contraintes mécaniques par une diminution du nombre de perçages (par un effet d'augmentation du 25 pas azimutal résultant de l'évasement de ces perçages) et, en abaissant les contraintes thermiques, on améliore la durée de vie tant de la chambre que de la bride.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Paroi annulaire (16, 18) de chambre de combustion (10) de turbomachine, comportant un côté froid (16a, 18a) et un côté chaud (16b, 18b), ladite paroi annulaire comportant au moins une pluralité d'orifices de refroidissement giratoire (34) répartis selon une pluralité de rangées circonférentielles espacées axialement les unes des autres, les axes géométriques de chacun desdits orifices de refroidissement giratoire étant disposés dans un plan perpendiculaire à une direction axiale D d'écoulement des gaz de combustion et inclinés par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre en aval de ladite pluralité de rangées d'orifices de refroidissement giratoire et immédiatement en amont d'une bride de liaison à une enveloppe annulaire (12a, 12b) de ladite chambre de combustion, au moins une rangée d'orifices de refroidissement axial (36) dont les axes géométriques sont inclinés, dans ladite direction axiale D, par rapport à une normale N à ladite paroi annulaire, lesdits orifices de refroidissement axial étant chacun pourvus du côté chaud d'un évasement (42) dans ladite direction axiale D, de sorte à assurer une sortie dudit film d'air de refroidissement plus proche de la tangente à ladite paroi chaude.
2. 2. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit évasement comporte un angle a d'inclinaison par rapport à l'axe géométrique dudit orifice de refroidissement axial compris entre 15 et 40°.
3. 3. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit évasement desdits orifices de refroidissement axial est aussi pratiqué dans une direction transversale par rapport à ladite direction axiale D, de sorte à augmenter le recouvrement transversal dudit film d'air de refroidissement.
4. 4. Paroi selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit évasement comporte un angle [3 d'ouverture maximal par rapport à ladite direction axiale D compris entre 7,5 et 20°.35
5. 5. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte deux rangées d'orifices de refroidissement axial espacées d'une distance au moins égale à 1,5 mm et lesdits évasements sont espacés entre eux selon une direction perpendiculaire à ladite direction axiale D d'une distance au moins égale à 0,5 mm.
6. 6. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au niveau d'une zone de transition (38A, 38B) entre ladite pluralité de rangées d'orifices de refroidissement giratoire et ladite au moins une rangée d'orifices de refroidissement axial, au moins deux rangées d'orifices de refroidissement additionnels (40) dont les axes géométriques sont inclinés d'une inclinaison déterminée par rapport audit plan perpendiculaire à ladite direction axiale D.
7. 7. Paroi selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte deux rangées d'orifices de refroidissement additionnels ayant une inclinaison de 30° pour la première et de 60° pour la seconde.
8. 8. Paroi selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs rangées d'orifices de refroidissement additionnels dont les inclinaisons respectives différentes sont réparties régulièrement entre 0° et 90°.
9. 9. Chambre de combustion (10) de turbomachine, comportant au moins une paroi annulaire (16, 18) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. 10. Turbomachine comportant une chambre de combustion (10) ayant au moins une paroi annulaire (16, 18) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.