FR3019586A1 - Chambre de combustion comprenant des tuyaux de dilution a sorties etagees. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une chambre de combustion (20) de turbomachine comprenant : - un carter externe annulaire (23), - un tube à flamme (27) agencé à l'intérieur du carter externe, et comprenant une paroi annulaire (28), - une pluralité de tuyaux de dilution primaires (31) comprenant chacun une entrée d'air primaire (32) ménagée dans la paroi (28) du tube à flamme et une sortie d'air primaire (33) débouchant à l'intérieur du tube à flamme, - une pluralité de tuyaux de dilution secondaires (34) comprenant chacun une entrée d'air secondaire (35) ménagée dans la paroi (28) du tube à flamme et une sortie d'air secondaire (36) débouchant à l'intérieur du tube à flamme (27), une distance entre l'entrée et la sortie d'air primaire des tuyaux de dilution primaires étant supérieure à une distance entre l'entrée et la sortie d'air secondaire des tuyaux de dilution secondaires, de sorte à générer un flux d'air secondaire dans le tube à flamme afin d'uniformiser un profil de température en sortie dudit tube à flamme.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne de manière générale le domaine des chambres de combustion pour des turbomachines, et plus particulièrement le domaine des tuyaux de dilution pour des chambres de combustion.
ETAT DE L'ART Une turbomachine comprend généralement, d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur haute pression et un compresseur basse pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbine, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. Les figures 1 et 2 illustrent respectivement une vue en coupe longitudinale et transversale d'une chambre à combustion 1 selon l'art antérieur.
La chambre de combustion 1 est connectée en amont à un compresseur (non représentée) qui alimente la chambre de combustion 1 en air sous pression par l'intermédiaire d'un diffuseur (non représenté), et en aval à un distributeur 2 lui-même relié à une turbine haute pression 3. La chambre de combustion 1 est délimitée par un carter externe 4 et un carter interne 5 annulaires, s'étendant l'un à l'intérieur de l'autre selon un axe longitudinal 6. La chambre de combustion 1 comprend un « tube à flamme » ou « foyer » 7 qui est le siège de la combustion des gaz. Le tube à flamme 7 est agencé entre les carters externe et interne 4 et 5 et muni de parois de révolution externe et interne 8 et 9 qui s'étendent globalement l'une à l'intérieur de l'autre selon l'axe longitudinal 6. Les parois externe et interne 8 et 9 présentent une forme annulaire coudée et sont reliées, en amont, au carter interne 5 de part et d'autre d'une roue d'injection montée sur le carter interne 5, et en aval, au carter externe 4 et au carter interne 5 respectivement. La roue d'injection comprend des injecteurs 10 configurés pour projeter radialement relativement à l'axe longitudinal 6 du carburant dans le tube à flamme 7. Les parois externe et interne 8 et 9 sont globalement ménagées à distance des carters externe et interne 4 et 5, de sorte à former un conduit annulaire d'alimentation en air 11 entourant le tube à flamme 7. La chambre de combustion 1 comprend en outre une pluralité de tuyaux de dilution 12. Les tuyaux de dilution 12 sont chacun munis d'une entrée d'air 13 ménagée dans la paroi externe 8 du tube à flamme 7, en aval du coude, et d'une sortie d'air 14 débouchant à l'intérieur du tube à flamme 7 et orientée en direction du distributeur 2 et de la turbine haute pression 3. Les tuyaux de dilution 12 permettent d'amener l'air circulant dans le conduit d'alimentation en air 11 à l'intérieur du tube à flamme 7, de sorte d'une part à refroidir les parois externe et interne 8 et 9 du tube à flamme 7, et d'autre part à diluer les gaz issus de la combustion.
Cependant, le profil de température des gaz en sortie du tube à flamme 7 illustré à la figure 3 en trait plein révèle la présence d'un pic de chaleur en milieu de veine qui est responsable de l'endofluage, c'est-à-dire le vieillissement par déformation et par fissuration, des pales de la turbine haute pression 3. Or, il arrive, dans certains modèles de turbomachines, que la température des gaz en milieu de veine, à la sortie du tube à flamme 7, soit telle que les pales de la turbine haute pression 3 présentent un niveau d'endommagement trop important pour respecter les objectifs de durée de vie de la turbine haute pression 3. Il existe donc un besoin de changer le profil de température des gaz en 25 sortie du tube à flamme 7. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention a donc pour but de répondre au problème précédemment cité en proposant une chambre de combustion comprenant des tuyaux de dilution à sorties d'air étagées, de sorte à obtenir un profil de température des gaz en sortie du tube à flamme plus homogène. Plus précisément, la présente invention a pour objet une chambre de combustion de turbomachine comprenant : - un carter externe annulaire s'étendant selon un axe longitudinal, - un tube à flamme agencé à l'intérieur du carter externe, et comprenant une paroi annulaire s'étendant globalement selon l'axe longitudinal, - un conduit d'alimentation en air entourant le tube à flamme, - une pluralité de tuyaux de dilution primaires comprenant chacun une entrée d'air primaire ménagée dans la paroi du tube à flamme et une sortie d'air primaire débouchant à l'intérieur du tube à flamme, par lesquelles l'air circulant dans le conduit d'alimentation en air pénètre dans le tube à flamme, - une pluralité de tuyaux de dilution secondaires comprenant chacun une entrée d'air secondaire ménagée dans la paroi du tube à flamme et une sortie d'air secondaire débouchant à l'intérieur du tube à flamme, par lesquelles l'air circulant dans le conduit d'alimentation en air pénètre dans le tube à flamme, une distance entre l'entrée et la sortie d'air primaires des tuyaux de dilution primaires étant supérieure à une distance entre l'entrée et la sortie d'air secondaires des tuyaux de dilution secondaires, de sorte à générer un flux d'air secondaire dans le tube à flamme afin d'uniformiser un profil de température en sortie dudit tube à flamme. Selon un mode de réalisation de l'invention, des tuyaux de dilution primaires sont ménagés dans un premier plan normal à l'axe longitudinal et des 25 tuyaux de dilution secondaires sont ménagés dans un deuxième plan normal à l'axe longitudinal et confondu avec le premier plan. Préférentiellement, les tuyaux de dilution primaires et les tuyaux de dilution secondaires sont agencés de manière alternative le long de la circonférence du tube à flamme, de sorte que chacun des tuyaux de dilution secondaires soit 30 agencé entre deux tuyaux de dilution primaires adjacents.
Selon une variante, chacun des tuyaux de dilution secondaires est agencé de manière coaxiale avec l'un des tuyaux de dilution primaires, ledit tuyau de dilution primaire s'étendant en partie à l'intérieur du tuyau de dilution secondaire associé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, des tuyaux de dilution primaires sont ménagés dans un premier plan normal à l'axe longitudinal et des tuyaux de dilution secondaires sont ménagés dans un deuxième plan normal à l'axe longitudinal et décalé par rapport au premier plan selon ledit axe longitudinal. Préférentiellement, le deuxième plan est décalé par rapport au premier plan vers l'aval du tube à flamme. Préférentiellement, les tuyaux de dilution secondaires sont agencés le long de la circonférence du tube à flamme de telle sorte qu'une projection de chacun desdits tuyaux de dilution secondaires dans le premier plan et selon l'axe longitudinal, est agencée entre deux tuyaux de dilution primaires adjacents. Selon une variante, chacun des tuyaux de dilution secondaires est aligné avec l'un des tuyaux de dilution primaires selon l'axe longitudinal. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une chambre de combustion telle que précédemment décrite.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 (déjà décrite) est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion selon un art antérieur ; - la figure 2 (déjà décrite) est une vue partielle, en coupe transversale, de la chambre de combustion illustrée à la figure 1 ; - la figure 3 est un graphique représentant d'une part, en trait plein, le profil de température en sortie de la chambre de combustion représentée à la figure 1, et d'autre part, en pointillé, le profil de température en sortie de la chambre de combustion représentée à la figure 4 ; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue partielle, en coupe transversale, de la chambre de combustion illustrée à la figure 4 ; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion selon un autre mode de réalisation de l'invention que celui illustré aux figures 4 et 5.
DESCRIPTION DETAILLEE La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion 20 d'une turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention. La chambre de combustion 20 est connectée en amont à un compresseur (non représentée) qui alimente la chambre de combustion 20 en air sous pression par l'intermédiaire d'un diffuseur (non représenté), et en aval à un distributeur 21 lui-même relié à une turbine haute pression 22. La chambre de combustion 20 est délimitée par un carter externe 23 et un carter interne 24 annulaires, s'étendant l'un à l'intérieur de l'autre selon un axe longitudinal 25. Dans l'exemple présenté à la figure 4, la chambre de combustion 20 est une chambre de combustion à roue d'injection. La roue d'injection est ménagée sur le carter interne 24 et est munie d'injecteurs 26 configurés pour projeter radialement relativement à l'axe longitudinal 25 du carburant.
La chambre de combustion 20 comprend un tube à flamme 27 agencé entre les carters externe et interne 23 et 24. Le tube à flamme 27 est muni de parois de révolution externe et interne 28 et 29 qui s'étendent globalement l'une à l'intérieur de l'autre selon l'axe longitudinal 25. Dans l'exemple illustré à la figure 4, les parois externe et interne 28 et 29 présentent une forme annulaire coudée et sont reliées, en amont, au carter interne 24 de part et d'autre des injecteurs 26, et en aval, au carter externe 23 et au carter interne 24 respectivement. Les parois externe et interne 28 et 29 sont globalement ménagées à distance des carters externe et interne 23 et 24, de sorte à former un conduit annulaire d'alimentation en air 30 entourant le tube à flamme 27. La chambre de combustion 20 comprend en outre une pluralité de tuyaux de dilution primaires 31. Les tuyaux de dilution primaires 31 sont par exemple globalement tronconiques, et présentent une section transversale oblongue. De préférence, la plus grande dimension de la section transversale oblongue des tuyaux de dilution primaires 31 est globalement orientée selon l'axe longitudinal 25. Les tuyaux de dilution primaires 31 sont munis d'une entrée d'air primaire 32 ménagée dans une paroi 28 ou 29 du tube à flamme 27 et d'une sortie d'air primaire 33 débouchant à l'intérieur du tube à flamme 27.
Les tuyaux de dilution primaires 31 permettent d'amener l'air circulant dans le conduit d'alimentation en air 30 à l'intérieur du tube à flamme 27, de sorte d'une part à refroidir les parois externe et interne 28 et 29 du tube à flamme 27, et d'autre part à diluer les gaz issus de la combustion. Dans l'exemple présenté à la figure 4, l'entrée d'air primaire 32 des tuyaux 20 de dilution primaires 31 est ménagée dans la paroi externe 28 du tube à flamme 27, en aval du coude, et la sortie d'air primaire 33 est globalement orientée en direction du distributeur 21 et de la turbine haute pression 22. La sortie d'air primaire 33 des tuyaux de dilution primaires 31 permet d'envoyer de l'air le long de la paroi interne 29 du tube à flamme 27 comme illustré 25 par les flèches F, de sorte que l'air envoyé par la sortie d'air primaire 33 refroidisse la paroi interne 29 du tube à flamme 27 et les gaz issus de la combustion circulant le long de la paroi interne 29 par dilution. Les tuyaux de dilution primaires 31 sont ménagés dans un premier plan P1 normal à l'axe longitudinal 25.
Les tuyaux de dilution primaires 31 sont avantageusement répartis de manière équidistante dans le premier plan P1, sur la circonférence du tube à flamme 27. Dans l'exemple illustré à la figure 5, la chambre de combustion 20 comprend vingt-quatre tuyaux de dilution primaires 31.
La chambre de combustion 20 comprend en outre une pluralité de tuyaux de dilution secondaires 34. Les tuyaux de dilution secondaires 34 sont par exemple globalement tronconiques, et présentent une section transversale oblongue. De préférence, la plus grande dimension de la section transversale oblongue des tuyaux de dilution secondaires 34 est globalement orientée selon l'axe longitudinal 25. Les tuyaux de dilution secondaires 34 sont munis d'une entrée d'air secondaire 35 ménagée dans une paroi 28 ou 29 du tube à flamme 27 et une sortie d'air secondaire 36 débouchant à l'intérieur du tube à flamme 27. Une distance entre l'entrée et la sortie d'air primaires 32, 33 des tuyaux de dilutions primaires 31 est supérieure à une distance entre l'entrée et la sortie d'air secondaires 35, 36 des tuyaux de dilution secondaires 34. Autrement dit, une distance de pénétration des tuyaux de dilution primaires 31 dans le tube à flamme 27 est supérieure à une distance de pénétration des tuyaux de dilution secondaires 34 dans le tube à flamme 27. En d'autres termes, une distance radiale entre la sortie d'air primaire 33 des tuyaux de dilution primaires 31 et l'axe longitudinal 25 est inférieure à une distance radiale entre la sortie d'air secondaire 36 des tuyaux de dilution secondaires 34 et l'axe longitudinal 25. La sortie d'air primaire 33 des tuyaux de dilution primaires 31 et la sortie d'air secondaire 36 des tuyaux de dilution secondaires 34 sont ainsi étagées.
Dans l'exemple présenté à la figure 4, l'entrée d'air secondaire 35 des tuyaux de dilution secondaires 34 est ménagée dans la paroi externe 28 du tube à flamme 27, en aval du coude, et la sortie d'air secondaire 36 est globalement orientée en direction du distributeur 21 et de la turbine haute pression 22. Les tuyaux de dilution secondaires 34 génèrent un flux d'air secondaire dans le tube à flamme 27 afin d'uniformiser le profil de température en sortie du tube à flamme 27. Le profil de température en sortie du tube à flamme 27 est représenté en pointillé sur la figure 3. Les tuyaux de dilution secondaires 34 permettent d'envoyer de l'air globalement au milieu du tube à flamme 27 comme illustré par les flèches FS, de sorte que l'air envoyé par les tuyaux de dilution secondaires 34 refroidisse les gaz issus de la combustion circulant globalement au milieu du tube à flamme 27, atténuant ainsi le pic de chaleur constaté au milieu de la sortie du tube à flamme 27. L'atténuation du pic de chaleur constaté au milieu de la sortie du tube à flamme 27 est illustrée à la figure 3.
Ainsi, les tuyaux de dilution primaires 31 et les tuyaux de dilution secondaires 34 dirigent l'air circulant dans le conduit de circulation d'air 30 vers deux chemins d'écoulement différents, de sorte à favoriser la dilution de l'air dans les gaz issus de la combustion et à obtenir un profil de température en sortie du tube à flamme 27 plus homogène.
Les tuyaux de dilution secondaires 34 sont ménagés dans un deuxième plan P2 normal à l'axe longitudinal 25. Les tuyaux de dilution secondaires 34 sont avantageusement répartis de manière équidistante dans le deuxième plan P2, sur la circonférence du tube à flamme 27. Le nombre de tuyaux de dilution primaires 31 et le nombre de tuyaux de dilution secondaires 34 sont de préférence identiques. En particulier, dans l'exemple illustré à la figure 5, la chambre de combustion 20 comprend vingt-quatre tuyaux de dilution secondaires 31. En comparant les figures 2 et 5, il apparaît que le nombre total de tuyaux 31, 34 dans le tube à flamme 27 a été doublé relativement au nombre de tuyaux 12 du tube à flamme 7 de l'art antérieur. Ainsi, afin de conserver un même débit d'air dans le tube à flamme 27 selon l'invention et dans le tube à flamme 7 de l'art antérieur, la section transversale des tuyaux de dilution primaires et secondaires 31, 34 a par exemple été réduite. Dans l'exemple représenté aux figures 4 et 5, le premier plan P1 et le 30 deuxième plan P2 sont confondus.
Les tuyaux de dilution primaires 31 et les tuyaux de dilution secondaires 34 sont alternativement disposés le long de la circonférence du tube à flamme 27, de sorte que chacun des tuyaux de dilution secondaires 34 soit agencé entre deux tuyaux de dilution primaires 31 adjacents.
Selon une variante (non représentée), chacun des tuyaux de dilution secondaires 34 est ménagé de manière coaxiale avec l'un des tuyaux de dilution primaires 31, ledit tuyau de dilution primaire 31 s'étendant en partie à l'intérieur du tuyau de dilution secondaire 34 associé. La figure 6 illustre un autre mode de réalisation de la chambre de combustion 20 dans lequel le premier plan P1 et le deuxième plan P2 sont décalés l'un par rapport à l'autre selon l'axe longitudinal 25. Le deuxième plan P2 est par exemple placé en aval du premier plan P1, de sorte que le tuyau de dilution secondaire 34 soit agencé entre le premier plan P1 et le distributeur 21 ou la turbine haute pression 22. La sortie d'air secondaire 36 est par exemple globalement orientée en direction de la sortie d'air primaire 33 du tuyau de dilution primaire 31. Dans ce cas, le flux d'air secondaire généré par les tuyaux d'air secondaires 34 s'écoule d'abord vers le premier plan P1 et donc vers l'amont du tube à flamme 27, avant d'être redirigé vers le distributeur 21 et la turbine haute pression 22 par l'écoulement du flux d'air primaire généré par les tuyaux de dilution primaires 31. Selon un mode de réalisation de l'invention, les tuyaux de dilution secondaires 34 sont agencés le long de la circonférence du tube à flamme 27 de telle sorte qu'une projection de chacun desdits tuyaux de dilution secondaires 34 dans le premier plan P1 et selon l'axe longitudinal 25, est agencée entre deux tuyaux de dilution primaires adjacents. Selon une variante, chaque tuyau de dilution secondaire 34 est aligné avec un tuyau de dilution primaire 31 selon l'axe longitudinal 25. La chambre de combustion 20 présente l'avantage de comprendre des tuyaux de dilution secondaires 34 présentant une sortie d'air secondaire 36 agencée à une plus grande distance radiale relativement à l'axe longitudinal 25 que les sorties d'air primaires 33 des tuyaux de dilution primaires 31, de sorte à diriger l'air circulant dans le conduit de circulation d'air 30 vers des chemins d'écoulement différents. La dilution de l'air dans les gaz issus de la combustion est ainsi favorisée et le profil de température en sortie du tube à flamme 27 est plus homogène. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variables conformes à son esprit. En particulier, la chambre de combustion 20 peut en outre comprendre des tuyaux de dilution tertiaires, quaternaires, etc. ménagés dans la paroi 28 ou 29 du tube à flamme 27 et présentant des distances de pénétration dans le tube à flamme 27 inférieures aux distances de pénétration des tuyaux de dilution primaires et secondaires 31, 34. Ces tuyaux de dilution tertiaires, quaternaires, etc. peuvent également être ménagés dans des plans confondus ou décalés les uns par rapport aux autres.15
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Chambre de combustion (20) de turbomachine comprenant : - un carter externe annulaire (23) s'étendant selon un axe longitudinal (25), - un tube à flamme (27) agencé à l'intérieur du carter externe, et comprenant une paroi annulaire (28) s'étendant globalement selon l'axe longitudinal, - un conduit d'alimentation en air (30) entourant le tube à flamme, - une pluralité de tuyaux de dilution primaires (31) comprenant chacun une entrée d'air primaire (32) ménagée dans la paroi (28) du tube à flamme et une sortie d'air primaire (33) débouchant à l'intérieur du tube à flamme, par lesquelles l'air circulant dans le conduit d'alimentation en air pénètre dans le tube à flamme, la chambre de combustion étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une pluralité de tuyaux de dilution secondaires (34) comprenant chacun une entrée d'air secondaire (35) ménagée dans la paroi (28) du tube à flamme et une sortie d'air secondaire (36) débouchant à l'intérieur du tube à flamme (27), par lesquelles l'air circulant dans le conduit d'alimentation en air (30) pénètre dans le tube à flamme, une distance entre l'entrée et la sortie d'air primaires des tuyaux de dilution primaires étant supérieure à une distance entre l'entrée et la sortie d'air secondaires des tuyaux de dilution secondaires, de sorte à générer un flux d'air secondaire dans le tube à flamme afin d'uniformiser un profil de température en sortie dudit tube à flamme.
- 2. Chambre de combustion (20) selon la revendication 1, dans laquelle des tuyaux de dilution primaires (31) sont ménagés dans un premier plan (P1) normal à l'axe longitudinal (25) et des tuyaux de dilution secondaires (34) sont ménagés dans un deuxième plan (P2) normal à l'axe longitudinal et confondu avec le premier plan.
- 3. Chambre de combustion (20) selon la revendication 2, dans laquelle les tuyaux de dilution primaires (31) et les tuyaux de dilution secondaires (34) sont agencés de manière alternative le long de la circonférence du tube à flamme (27), de sorte que chacun des tuyaux de dilution secondaires soit agencé entre deux tuyaux de dilution primaires adjacents.
- 4. Chambre de combustion (20) selon la revendication 2, dans laquelle chacun des tuyaux de dilution secondaires (34) est agencé de manière coaxiale avec l'un des tuyaux de dilution primaires (31), ledit tuyau de dilution primaire s'étendant en partie à l'intérieur du tuyau de dilution secondaire associé.
- 5. Chambre de combustion (20) selon la revendication 1, dans laquelle des tuyaux de dilution primaires (31) sont ménagés dans un premier plan (P1) normal à l'axe longitudinal (25) et des tuyaux de dilution secondaires (32) sont ménagés dans un deuxième plan (P2) normal à l'axe longitudinal et décalé par rapport au premier plan selon ledit axe longitudinal.
- 6. Chambre de combustion (20) selon la revendication 5, dans laquelle le deuxième plan (P2) est décalé par rapport au premier plan (P1) vers l'aval du tube à flamme.
- 7. Chambre de combustion (20) selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans laquelle les tuyaux de dilution secondaires (34) sont agencés le long de la circonférence du tube à flamme (27) de telle sorte qu'une projection de chacun desdits tuyaux de dilution secondaires (34) dans le premier plan (P1) et selon l'axe longitudinal (25), est agencée entre deux tuyaux de dilution primaires (31) adjacents.
- 8. Chambre de combustion (20) selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans laquelle chacun des tuyaux de dilution secondaires (34) est aligné avec l'un des tuyaux de dilution primaires (31) selon l'axe longitudinal (25).
- 9. Turbomachine comprenant une chambre de combustion (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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