FR3019587B1 - Tuyau de dilution pour chambre de combustion et chambre de combustion associee. - Google Patents

Tuyau de dilution pour chambre de combustion et chambre de combustion associee. Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un tuyau de dilution (31) pour chambre de combustion (20) de turbomachine, comprenant une entrée d'air (32) configurée pour être ménagée dans une paroi (28) d'un tube à flamme (27) et une sortie d'air (33) configurée pour déboucher à l'intérieur du tube à flamme, par lesquelles de l'air pénètre dans le tube à flamme, le tuyau de dilution comprenant en outre au moins une sortie d'air supplémentaire (34) configurée pour déboucher à l'intérieur du tube à flamme (27), et agencée entre l'entrée et la sortie d'air (32, 33), de sorte à générer un flux d'air supplémentaire 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.
La figure 1 illustre une vue en coupe longitudinale 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 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 2 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 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 un tuyau de dilution muni d’une entrée d’air et d’au moins deux sorties d’air agencées à des longueurs différentes dudit tuyau, 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 un tuyau de dilution pour chambre de combustion de turbomachine, comprenant une entrée d’air configurée pour être ménagée dans une paroi d’un tube à flamme et une sortie d’air configurée pour déboucher à l’intérieur du tube à flamme, par lesquelles de l’air pénètre dans le tube à flamme, le tuyau de dilution comprenant en outre au moins une sortie d’air supplémentaire configurée pour déboucher à l’intérieur du tube à flamme, et agencée entre l’entrée et la sortie d’air, de sorte à générer un flux d’air supplémentaire 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, au moins une sortie d’air supplémentaire est ménagée dans une paroi latérale du tuyau de dilution entre l’entrée d’air et la sortie d’air.
Le tuyau de dilution présente par exemple une section transversale oblongue.
Avantageusement, le tuyau de dilution comprend une première sortie d’air supplémentaire ménagée dans une portion globalement plane de la paroi latérale du tuyau de dilution. Préférentiellement, la première sortie d’air supplémentaire est formée d’au moins un orifice oblong dont la plus grande dimension est agencée dans la longueur du tuyau de dilution.
Avantageusement, le tuyau de dilution comprend une deuxième sortie d’air supplémentaire ménagée dans une portion convexe de la paroi latérale du tuyau de dilution.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le tuyau de dilution comprend au moins un épaulement entre une première portion du tuyau comprenant l’entrée d’air, et une deuxième portion du tuyau comprenant la sortie d’air, l’épaulement présentant une surface dans laquelle est ménagée la sortie d’air supplémentaire.
Avantageusement, la première portion et la deuxième portion du tuyau de dilution sont globalement agencées de manière coaxiale.
Avantageusement, la première portion et la deuxième portion du tuyau de dilution sont chacune globalement agencées selon un axe non confondu.
Avantageusement, le tuyau de dilution présente une section transversale oblongue, et les axes des première et deuxième portions du tuyau de dilution sont décalés l’un par rapport à l’autre dans une direction correspondant à la plus grande dimension de la section transversale oblongue dudit tuyau.
La présente invention a également 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, et - une pluralité de tuyaux de dilution tels que précédemment décrits, lesdits tuyaux de dilution comprenant chacun une entrée d’air ménagée dans la paroi du tube à flamme et une sortie d’air 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, chacun desdits tuyaux de dilution comprenant en outre au moins une sortie d’air supplémentaire débouchant à l’intérieur du tube à flamme, et agencée entre l’entrée et la sortie d’air, de sorte à générer un flux d’air supplémentaire dans le tube à flamme afin d’uniformiser un profil de température en sortie dudit tube à flamme.
La présente 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 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 3 ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d’une chambre de combustion selon un mode de réalisation de l’invention ; - la figure 4 est une vue de détail d’un tuyau de dilution de la chambre de combustion selon le mode de réalisation de l’invention illustré à la figure 3 ; - la figure 5 est une vue de détail d’un tuyau de dilution de la chambre de combustion selon un autre mode de réalisation de l’invention que celui représenté à la figure 4 ; - la figure 6 est une vue de détail d’un tuyau de dilution de la chambre de combustion selon un autre mode de réalisation de l’invention que ceux représentés aux figures 4 et 5.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 3 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 3, 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 3, 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 31. Les tuyaux de dilution 31 sont par exemple ménagés dans le tube à flamme 27 dans un plan P normal à l’axe longitudinal 25. Les tuyaux de dilution 31 sont avantageusement répartis de manière équidistante dans le plan P, sur la circonférence du tube à flamme 27.
Dans les exemples illustrés aux figures 3 à 6, les tuyaux de dilution 31 sont globalement tronconiques, et présentent une section transversale oblongue. De préférence, la plus grande dimension de la section transversale oblongue des tuyaux de dilution 31 est globalement orientée selon l’axe longitudinal 25. Les tuyaux de dilution 31 sont chacun munis d’une entrée d’air 32 ménagée dans une paroi 28 ou 29 du tube à flamme 27 et d’une sortie d’air 33 débouchant à l’intérieur du tube à flamme 27.
Les tuyaux de dilution 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 3, l’entrée d’air 32 du tuyau de dilution 31 est ménagée dans la paroi externe 28 du tube à flamme 27, en aval du coude, et la sortie d’air 33 est globalement orientée en direction du distributeur 21 et de la turbine haute pression 22.
La sortie d’air 33 permet d’envoyer de l’air le long de la paroi interne 29 du tube à flamme 27 comme illustré par les flèches F, de sorte que l’air envoyé par la sortie d’air 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.
Chacun des tuyaux de dilution 31 comprend en outre au moins une sortie d’air supplémentaire 34 agencée entre l’entrée d’air 32 et la sortie d’air 33. En d’autres termes, la sortie d’air 33 et la sortie d’air supplémentaire 34 sont agencées à des longueurs différentes du tuyau de dilution 31.
La sortie d’air supplémentaire 34 génère un flux d’air supplémentaire 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 2.
La sortie d’air supplémentaire 34 permet 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 la sortie d’air supplémentaire 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 2.
Ainsi, la sortie d’air 33 et la sortie d’air supplémentaire 34 de chacun des tuyaux de dilution 31 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.
La figure 4 illustre un tuyau de dilution 31a selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le tuyau de dilution 31a comprend un épaulement 35a ménagé entre une première portion 36a du tuyau 31a comprenant l’entrée d’air 32 et une deuxième portion 37a du tuyau 31a comprenant la sortie d’air 33. La première portion 36a du tuyau de dilution 31a présente globalement une section transversale plus grande que la deuxième portion 37a.
La première portion 36a et la deuxième portion 37a du tuyau de dilution 31a sont globalement agencées de manière coaxiale. L’épaulement 35a présente une surface 38a dans laquelle est ménagée la sortie d’air supplémentaire 34a. La sortie d’air supplémentaire 34a est destinée à être globalement orientée en direction du distributeur 21 et de la turbine haute pression 22. La sortie d’air supplémentaire 34a est par exemple formée de deux orifices disposés de part et d’autre d’un plan Pa normal à une direction correspondant à la plus grande dimension de la section transversale oblongue du tuyau de dilution 31a.
La figure 5 illustre un tuyau de dilution 31b selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Le tuyau de dilution 31b comprend un épaulement 35b ménagé entre une première portion 36b du tuyau 31b comprenant l’entrée d’air 32 et une deuxième portion 37b du tuyau 31b comprenant la sortie d’air 33. La première portion 36b du tuyau de dilution 31b présente globalement une section transversale plus grande que la deuxième portion 37b.
La première portion 36b est globalement agencée selon un premier axe 39b, et la deuxième portion 37b est globalement agencée selon un deuxième axe 40b non confondu avec le premier axe 39b. Le deuxième axe 40b est par exemple décalé relativement au premier axe 39b dans une direction correspondant à la plus grande dimension de la section transversale oblongue du tuyau de dilution 31b. L’épaulement 35b présente une surface 38b dans laquelle est ménagée la sortie d’air supplémentaire 34b. La sortie d’air supplémentaire 34b est destinée à être globalement orientée en direction du distributeur 21 et de la turbine haute pression 22. La sortie d’air supplémentaire 34b est par exemple formée d’un ou plusieurs orifices.
La figure 6 illustre un tuyau de dilution 31c selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Le tuyau de dilution 31c comprend une paroi latérale 41c dans laquelle une première sortie d’air supplémentaire 34c est ménagée. La première sortie d’air supplémentaire 34c est ménagée dans une portion globalement plane de la paroi latérale 41c du tuyau de dilution 31c. La première sortie d’air supplémentaire 34c est par exemple formée de deux orifices disposés de part et d’autre d’un plan Pc normal à une direction correspondant à la plus petite dimension de la section transversale oblongue du tuyau de dilution 31c. Les orifices de la première sortie d’air supplémentaire 34c sont par exemple oblongs avec leur plus grande dimension agencée dans la longueur du tuyau de dilution 31c.
Le tuyau de dilution 31c comprend en outre une deuxième sortie d’air supplémentaire 34c ménagée dans la paroi latérale 41c. La deuxième sortie d’air supplémentaire 34c est ménagée dans une portion convexe de la paroi latérale 41c du tuyau de dilution 31c. De préférence, la deuxième sortie d’air supplémentaire 34c est destinée à être globalement orientée en direction du distributeur 21 et de la turbine haute pression 22. La deuxième sortie d’air supplémentaire 34c est par exemple formée de deux fentes ménagées à des longueurs Li et L2 différentes du tuyau de dilution 31c. Selon une variante (non représentée), la deuxième sortie d’air supplémentaire 34c est formée d’une ou plusieurs fentes ou orifices ménagés de part et d’autre d’un plan normal à une direction correspondant à la plus grande dimension de la section transversale oblongue du tuyau de dilution 31c.
La chambre de combustion 20 présente l’avantage de comprendre une pluralité de tuyaux de dilution 31 chacun munis d’au moins deux sorties d’air 33 et 34 ménagées à des longueurs différentes dudit tuyau 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.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Chambre de combustion à roue d’injection (20) de turbomachine comprenant : - un carter externe (23) annulaire s’étendant selon un axe longitudinal (25), - un tube à flamme (27) agencé à l’intérieur du carter externe, et comprenant une paroi (28) annulaire s’étendant globalement selon l’axe longitudinal, - un conduit d’alimentation en air (30) entourant le tube à flamme, la chambre de combustion étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une pluralité de tuyaux de dilution, lesdits tuyaux de dilution comprenant chacun une entrée d’air (32) ménagée dans la paroi (28) du tube à flamme (27) et une sortie d’air (33) débouchant à l’intérieur du tube à flamme, par lesquelles l’air circulant dans le conduit d’alimentation en air (30) pénètre dans le tube à flamme, chacun desdits tuyaux de dilution (31a, 31b, 31c) comprenant en outre au moins une sortie d’air supplémentaire (34a, 34b, 34c) débouchant à l’intérieur du tube à flamme (27), et agencée entre l’entrée et la sortie d’air (32, 33), de sorte à générer un flux d’air supplémentaire dans le tube à flamme afin d’uniformiser un profil de température en sortie dudit tube à flamme.
  2. 2. Chambre de combustion (20) selon la revendication 1, dans lequel au moins une sortie d’air supplémentaire (34c) des tuyaux de dilution (31c) est ménagée dans une paroi latérale (40c) desdits tuyaux de dilution (31c) entre l’entrée d’air (32) et la sortie d’air (33).
  3. 3. Chambre de combustion (20) selon la revendication 2, dans laquelle les tuyaux de dilution (31c) présentent une section transversale oblongue, et dans laquelle une première sortie d’air supplémentaire (34c) des tuyaux de dilution (31c) est ménagée dans une portion globalement plane de la paroi latérale (41c) desdits tuyaux de dilution (31c).
  4. 4. Chambre de combustion (20) selon la revendication 3, dans laquelle la première sortie d’air supplémentaire (34c) des tuyaux de dilution (31c) est formée d’au moins un orifice oblong dont la plus grande dimension est agencée dans la longueur desdits tuyaux de dilution (31c).
  5. 5. Chambre de combustion (20) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle les tuyaux de dilution (31c) présentent une section transversale oblongue, et dans laquelle une deuxième sortie d’air supplémentaire (34c) est ménagée dans une portion convexe de la paroi latérale (41c) desdits tuyaux de dilution (31c).
  6. 6. Chambre de combustion (20) selon la revendication 1, dans laquelle les tuyaux de dilution (31a, 31b) comprennent au moins un épaulement (35a, 35b) entre une première portion (36a, 36b) desdits tuyaux comprenant l’entrée d’air (32), et une deuxième portion (37a, 37b) desdits tuyaux comprenant la sortie d’air (33), l’épaulement présentant une surface (38a, 38b) dans laquelle est ménagée la sortie d’air supplémentaire (34a, 34b).
  7. 7. Chambre de combustion (20) selon la revendication 6, dans laquelle la première portion (36a) et la deuxième portion (37a) des tuyaux de dilution (31a) sont globalement agencées de manière coaxiale.
  8. 8. Chambre de combustion (20) selon la revendication 6, dans laquelle la première portion (36b) et la deuxième portion (37b) des tuyaux de dilution (31b) sont chacune globalement agencées selon un axe (39b, 40b) nôh confondu.
  9. 9. Chambre de combustion (20) selon la revendication 8, dans laquelle les tuyaux de dilution (31b) présentant une section transversale oblongue, et dans laquelle les axes (39b, 40b) des première et deuxième portions 437b, 38b) desdits tuyaux de dilution sont décalés l’un par rapport à l’autre dans une direction correspondant à la plus grande dimension de la section transversale oblongue desdits tuyaux.
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