FR3038699A1 - Chambre de combustion coudee d'une turbomachine - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une chambre de combustion d'une turbomachine, comprenant : - un carter annulaire externe ; - un tube à flamme (20) connecté au carter externe, ledit tube à flamme (20) comprenant une paroi annulaire interne (20b) et une paroi annulaire externe (20a) définissant d'une part une première portion radiale en entrée du tube à flamme et d'autre part une seconde portion axiale en sortie du tube à flamme, le tube à flamme comprenant en outre un fond de chambre (30) situé en entrée du tube à flamme (20) ; - un système d'injection (40') de combustible configuré pour injecter du combustible dans le tube à flamme via l'entrée du tube à flamme, le système d'injection comprenant un axe injecteur (AA'), et un collecteur d'air (40'd) configuré pour amener de l'air vers des vrilles du système d'injection (40'), le collecteur d'air comprenant une partie circulaire autour de l'axe injecteur, la partie circulaire à partir de laquelle s'étend une embouchure formant une entrée d'air du collecteur, l'embouchure étant configurée pour mettre en rotation l'écoulement d'air entrant pour qu'il alimente les vrilles.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des chambres de combustion pour des turbomachines et plus particulièrement la structure et la fixation d'un tube à flamme dans une chambre de combustion d'une turbomachine.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De manière connue et en relation avec la figure 1, en aval d'un compresseur à haute pression (non représenté), une turbomachine comprend une chambre de combustion délimitée par des carters de révolution interne lb et externe la qui sont concentriques.
La chambre à combustion comprend un tube à flamme 2 disposé dans l'espace défini par les carters interne lb et externe la.
Le tube à flamme 2 est délimité par des parois interne 2b et externe 2a appelées viroles interne et externe et une plaque de fond de chambre 3 qui sert de support à des injecteurs 4.
Par ailleurs, la chambre de combustion comprend également un carénage 5 disposé devant le fond de chambre pour couvrir partiellement les injecteurs 4 afin de les protéger des chocs éventuels (que peut produire l'ingestion d'un oiseau ou d'un bloc de glace dans des moteurs) et de réduire les pertes énergétiques aérodynamiques pour améliorer la consommation moteur. Et la chambre de combustion comprend un diffuseur 6 d'air débouchant sur l'injecteur 4 qui permet de refroidir les injecteurs 4.
La plaque de fond 3, les parois interne 2b et externe 2a du tube à flamme 2 et le carénage 5 sont assemblées par des boulons (non représentés).
La chambre de combustion de la figure 1 est dite annulaire axiale directe en ce sens qu'elle s'étend selon la direction privilégiée de l'axe moteur sans retournement des viroles cylindriques du tube à flamme. Cette architecture est la référence pour les turbomachines modernes, notamment sur les fortes puissances. Sur le domaine des petites puissances, elle cohabite avec l'architecture de chambre à retour qui est très compacte axialement. Cependant elle possède pour principal inconvénient un important rapport surface sur volume qui rend difficile le refroidissement des parois du tube à flamme et handicape leurs durées de vie. A l'opposé, un problème avec le type de chambre axiale directe est que l'encombrement axial du tube à flamme est conséquent.
Un autre problème est que les fixations du carénage, des parois interne 2b et externe 2a et de la plaque de fond sont soumises à des vibrations de la turbomachine ainsi qu'à des dilatations thermiques des sous-composants du module chambre qui peuvent dégrader son fonctionnement de sorte que des systèmes de compensations vibratoires et thermiques généralement complexes sont prévus.
PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, une chambre de combustion d'une turbomachine, comprenant : un carter annulaire externe ; un tube à flamme connecté au carter externe, ledit tube à flamme comprenant une paroi annulaire interne et une paroi annulaire externe définissant d'une part une première portion radiale en entrée du tube à flamme et d'autre part une seconde portion axiale en sortie du tube à flamme, le tube à flamme comprenant en outre un fond de chambre situé en entrée du tube à flamme ; un système d'injection de combustible configuré pour injecter du combustible dans le tube à flamme via l'entrée du tube à flamme, le système d'injection comprenant un axe injecteur, et un collecteur d'air configuré pour amener de l'air vers des vrilles du système d'injection, le collecteur d'air comprenant une partie circulaire autour de l'axe injecteur, la partie circulaire à partir de laquelle s'étend une embouchure formant une entrée d'air du collecteur, l'embouchure étant configurée pour mettre en rotation l'écoulement d'air entrant pour qu'il alimente les vrilles. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. L'embouchure comprend une partie droite qui s'étend tangentiellement à la partie circulaire et une partie divergente s'étendant à partir de la partie circulaire.
La partie circulaire présente un rayon constant autour de l'axe injecteur.
La partie circulaire présente un rayon croissant autour de l'axe injecteur. L'embouchure présente une forme générale : circulaire, rectangulaire, profilée.
Le tube à flamme est connecté au carter externe par l'intermédiaire dudit système d'injection en liaison avec le fond de chambre. L'injecteur présente une direction principale coaxiale à un axe longitudinal Y selon lequel la première portion s'étend.
La première portion du tube à flamme s'étend vers la seconde portion en formant un coude entre l'entrée et la sortie du tube à flamme. L'invention concerne également une turbomachine comprenant une chambre de combustion selon l'invention. L'invention permet d'amener l'air issu du diffuseur de manière plus efficace. En d'autres termes, l'invention permet d'abaisser la perte de charge entre le diffuseur et l'entrée du collecteur.
En effet, dans le cas d'une architecture conventionnelle et selon l'état de l'art actuel, l'écoulement en sortie de compresseur alimente partiellement l'injecteur (entre 10% et 30% du débit total sortie compresseur). Le pourcentage restant est à la fois réintroduit le long du tube à flamme via les différents perçages (trous primaires, trous de dilution et multi perforation) et est aussi utilisé pour refroidir un ensemble de pièces du module turbine. Le diffuseur (sortie compresseur) permet de ralentir l'écoulement qui est ensuite éclaté avant d'alimenter le système d'injection et les contournements interne/externe ceci dans le but de réduire les pertes de charge au contournement. Cette transition singulière entre la sortie compresseur et le système d'injection n'est pas optimale car elle est la source de perte énergétique : L'écoulement est d'abord ralenti à la sortie du compresseur, emprunte plusieurs passages (traversée du carénage et contournement du système d'injection) puis est ré-accéléré à l'entrée du système d'injection.
Ainsi, l'invention résout cette problématique en disposant entre la sortie diffuseur et l'entrée du système d'injection un collecteur dont le rôle est de capter une partie de l'écoulement d'air et de réaliser une continuité aérodynamique. Ce dispositif permet d'optimiser la liaison sortie compresseur / système d'injection, de canaliser l'écoulement en direction du système d'injection et de réduire la traversée d'orifices ou le contournement de pièces par l'écoulement.
En outre, la forme particulière du collecteur permet d'orienter l'écoulement d'air avant son admission dans le système d'injection afin d'améliorer l'alimentation du système d'injection.
En effet, dans le cas d'une architecture conventionnelle et selon l'état de l'art actuel, le système d'injection est composé de plusieurs vrilles dont le rôle est de générer un écoulement tournant en sortie de système d'injection. Ces vrilles présentent un angle de calage (entre 10° et 80° par rapport à l'axe injecteur). L'alimentation des vrilles n'est pas optimale dans le cas d'un système d'injection conventionnel dont l'axe principal est incliné par rapport à la direction moyenne de l'écoulement à la sortie du diffuseur. L'écoulement peut être amené à réaliser des changements de direction important pour alimenter une vrille ce qui présente une transition singulière, néfaste à la performance du module chambre de combustion.
Ainsi, l'invention qui résout cette problématique consiste à utiliser une des deux parois latérales du collecteur pour orienter l'écoulement avant son admission dans le système d'injection sans appliquer à l'écoulement d'autre changement de direction important autre que celui attendu par sa mise en rotation. Cette solution technique permet de générer un mouvement d'ensemble de rotation, bénéfique à l'alimentation des vrilles.
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 outre la figure 1 déjà discutée,
La figure 2 illustre une vue en coupe d'un chambre de combustion ;
La figure 3 illustre une vue en perspective d'une chambre de combustion ;
La figure 4 illustre une vue détaillée de la liaison de la chambre de combustion selon un premier mode de réalisation ;
La figure 5 illustre une vue détaillée de la chambre de combustion selon un second mode de réalisation ;
Les figures 6 et 7 illustrent un collecteur d'un premier type de la chambre de combustion selon un second mode de réalisation ;
Les figures 8 et 9 illustrent un collecteur d'un second type de la chambre de combustion selon le second mode de réalisation.
Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les figures 2 et 3 illustrent des vues d'une chambre de combustion selon un mode de réalisation.
La chambre de combustion comprend un carter externe 10a auquel est connecté un tube à flamme 20.
Le tube à flamme 20 comprend une paroi annulaire interne 20b et une paroi annulaire externe 20a.
Les parois annulaire interne et externe définissent d'une part une première portion 201 radiale autour d'un axe radial Y de la chambre de combustion et qui s'étend radialement par rapport à un axe longitudinal XX de rotation de la turbomachine. D'autre part, les parois annulaire interne et externe définissent une seconde portion 202 axiale autour d'un axe longitudinal X perpendiculaire à l'axe radial Y et parallèle à l'axe longitudinal XX de rotation de la turbomachine.
Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3 la première portion 201 s'étend vers la seconde portion 202 en formant un coude entre l'entrée et la sortie du tube à flamme.
Un tel coude permet une liaison aérodynamique efficace avec un étage haute pression en aval de l'écoulement des gaz (flèche en pointillés sur la figure 2).
En outre, cette forme coudée permet de réduire l'encombrement axial du tube à flamme 20.
Ceci présente les avantages Suivants. - la masse du moteur est réduite : o la forme du tube à flamme permet de réduire la longueur du carter externe, qui est souvent commun avec la turbine haute pression en aval de la chambre de combustion; o la réduction de longueur pour les équipements - canalisations - nacelle et ('ensemble des constituants « hors-veine » ; o la structure de la chambre est simplifiée notamment par le fait que le tube à flamme est connecté au carter externe par l'intermédiaire de l'injecteur ce qui permet de supprimer le capotage et les boulons associés. Ces pièces sont généralement utilisées sur des chambres de type axial direct ; la situation dynamique du rotor haute pression, située sous la chambre de combustion, est améliorée : o Cette pièce est en effet un élément Complexe de la turbomachine et doit respecter de nombreux critères de dimensionnement. Pour des turbomachines de petite dimension et avec des impératifs de performances élevées (en consommation et émissions), on est tenté de positionner un régime de rotation élevé : la difficulté étant alors d'assurer une raideur et une dynamique d'arbre acceptable. Ainsi, la forme coudée donnée au tube à flamme permet de diminuer la longueur d'arbre haute pression (constitué d'un compresseur haute pression en amont de la chambre de combustion et de la turbine haute pression en aval de la chambre de combustion) ; l'interface avec la turbine haute pression est améliorée : o en effet, la sortie du tube à flamme est colinéaire au dessin des plateformes du DHP (Distributeur Haute Pression) : cela permet de limiter le nombre de lignes de courant d'écoulement chaud qui impacteraient la paroi (notamment sur la virole interne) et pourraient potentiellement interférer avec le refroidissement de ces pièces dont la durée de vie est critique - la bougie d'ailumage peut être positionnée à différentes positions : en fond de chambre et/ou en coin de chambre et/ou sur la paroi externe.
La chambre de combustion comprend également un fond de chambre 30 qui a la forme d'une plaque situé en entrée du tube à flamme 20. A ce fond de chambre 30 est attaché un système d'injection 40 d'un premier type par lequel est connecté le tube à flamme 20 au carter externe 10a de la turbomachine.
En outre, la chambre de combustion peut éventuellement comprendre un bouclier thermique 50 sous la forme d'une plaque attachée au fond de chambre 30 situé dans le tube à flamme 20. Ce bouclier thermique 50 est situé à l'entrée du tube à flamme 20 et protège le système d'injection 40 des fortes températures supérieures à 2200 K pouvant régner dans le tube à flamme 20.
Des trous primaires 202a, 202b sont percés dans les parois annulaires interne et externe au niveau de la première portion 201 en entrée du tube à flamme.
En outre, des trous de dilution 203a, 203b sont percés dans les parois annulaires interne et externe au niveau de la partie coudée du tube à flamme 20 (voir la figure 3). Le nombre de trous, leurs diamètres et positions respectifs pouvant varier selon l'application visée.
De plus, un diffuseur 60 permet d'amener de l'air vers le système d'injection 40 afin de le refroidir.
Comme cela est visible sur la figure 4, le système d'injection 40 selon un premier mode de réalisation comprend un corps 40a d'injecteur entourant un tuyau 40b d'injection par lequel est amené le combustible en tant que tel dans le tube à flamme 20. Le corps 40a d'injecteur est fixé au carter externe 10a par l'intermédiaire de boulons 70 et de plaques 80 de fixation (voir la figure 3).
Les parois annulaires interne et externe sont fixées au carter externe 10a par l'intermédiaire du corps 40a d'injecteur permettant ainsi de simplifier la liaison bol - fond de chambre et ainsi éviter l'utilisation d'un système de rattrapage des jeux.
Un disque de liaison 40c surmonté d'un cylindre 40d dans lequel est inséré le corps 40a de l'injecteur est connecté au fond de chambre 30 dans lequel un évidement 30a à la taille du disque de liaison a été ménagé.
Le corps 40a de l'injecteur est en liaison avec le tuyau 40b d'injection et le corps 40a du système d'injection 40 est inséré dans le cylindre 40d surmontant le disque de liaison 40c de telle sorte que le corps 40a d'injecteur (et donc le tuyau 40b d'injection) est mobile par rapport au cylindre 40d. Ceci permet une compensation des mouvements auxquels est soumis le tube à flamme 20. Il n'y a donc pas besoin de systèmes de compensation complexes.
Le corps 40a d'injecteur comprend une entrée d'air 40e par laquelle de l'air issu du diffuseur 60 est introduit. Cet air permet d'alimenter en air le système d'injection 40. L'entrée d'air 40e a, de manière non limitative, la forme d'un évidement ovale pratiqué dans le corps 40a d'injecteur. On comprendra donc que d'autres formes peuvent être envisagées.
De manière alternative, comme cela est visible sur la figure 5, la chambre de combustion selon un second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par la structure d'un système d'injection 40' d'un second type.
Le tube à flamme 20 impliqué dans ce second mode de réalisation est identique à celui précédemment décrit. De plus, le système d'injection 40' est attaché au fond de chambre 30, le tube à flamme 20 étant connecté au carter externe 10a de la turbomachine par l'intermédiaire du système d'injection 40'.
Le système d'injection 40' dans ce second mode de réalisation comprend un corps d'injecteur 40'a surmontant une structure circulaire de liaison 40'c comprenant au moins un disque de liaison. La structure de liaison 40'c est insérée dans le fond de chambre 30 dans laquelle un évidement de la taille de la structure circulaire de liaison a été ménagé. Le collecteur 40'd est solidaire du corps d'injecteur 40'a.
Comme dans le premier mode de réalisation, les parois annulaires interne et externe sont fixées au carter externe 10a par l'intermédiaire du corps 40'a d'injecteur permettant ainsi de simplifier la liaison bol - fond de chambre et ainsi éviter l'utilisation d'un système de rattrapage des jeux.
Le corps d'injecteur 40'a entoure un tuyau 40'b d'injection (selon l'axe injecteur AA1) par lequel est amené le combustible en tant que tel dans le tube à flamme 20.
Afin d'améliorer l'efficacité de l'alimentation en air du système d'injection par l'intermédiaire de vrilles rapportées au tuyau 40'b, un collecteur d'air 40'd surmonte le tuyau d'injection 40'b.
Ce collecteur est agencé à proximité du diffuseur 60 sans être connecté à ce dernier (auquel cas les vibrations pourraient endommager la structure). En outre, le collecteur est séparé physiquement du diffuseur à cause des vitesses de dilatation qui sont différentes.
Comme illustré sur les figures 6 et 7, le collecteur d'air 40'd peut être dans l'axe AA' du système d'injection et comprend une partie circulaire 41 entourant le tuyau 40'b d'injection selon un rayon constant.
Cette partie circulaire 41 présente des dimensions identiques au corps d'injecteur 40'a. A partir de cette partie circulaire 41 s'étend une embouchure 42 par laquelle de l'air issu du diffuser 60 est introduit. L'embouchure 42 présente une partie droite 43 tangente à la partie circulaire 41 et une partie divergente 44 à partir de la partie circulaire 41 (ou bien convergente depuis l'entrée d'air). Le collecteur peut bien entendu prendre d'autres formes.
Alternativement, comme illustré sur les figures 8 et 9, le collecteur d'air 40'd peut être déporté par rapport à l'axe AA' de l'injecteur. Sur ces figures, il est déporté vers la gauche mais peut bien entendu être déporté vers la droite de l'axe AA' de l'injecteur. A ce titre, le collecteur comprend une partie circulaire 41' présentant un rayon croissant autour du tuyau d'injection (rayon non constant autour du tuyau d'injection). De manière avantageuse, la partie circulaire 41' s'étend d'abord selon un rayon constant sur une première portion, et un rayon croissant au-delà (forme de type volute). Et à partir de cette partie circulaire 41', s'étend l'embouchure 42 présentant une partie droite 43 tangent à la partie circulaire et une partie divergente 44 à partir de la partie circulaire. L'embouchure 42 peut prendre plusieurs formes : rectangulaire, circulaire ou bien profilée.
En conséquence, de l'air issu du diffuseur entre dans le système d'injection par l'intermédiaire de l'embouchure 42, qui grâce à sa forme permet d'imposer un mouvement d'ensemble de rotation à l'écoulement d'air afin de faciliter l'alimentation des vrilles 40'e.
En outre, selon la forme et les dimensions données à l'embouchure 42, cette dernière peut éviter que de l'eau entrant dans le moteur dans les cas d'ingestion d'eau ou de grêle n'entre dans le collecteur et soit alors injectée dans le tube à flamme, notamment dans la zone primaire de combustion. A ce titre, le rayon externe de l'embouchure 42 peut être judicieusement adapté afin de ne pas capter l'eau (liquide ou vapeur) qui se situe de manière préférentielle sur les rayons extérieurs du rouet centrifuge et du diffuseur axial.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Chambre de combustion d'une turbomachine, comprenant : - un carter annulaire externe (10a) ; - un tube à flamme (20) connecté au carter externe (10a), ledit tube à flamme (20) comprenant une paroi annulaire interne (20b) et une paroi annulaire externe (20a) définissant d'une part une première portion (201) radiale en entrée du tube à flamme et d'autre part une seconde portion (202) axiale en sortie du tube à flamme, le tube à flamme comprenant en outre un fond de chambre (30) situé en entrée du tube à flamme (20) ; - un système d'injection (40') de combustible configuré pour injecter du combustible dans le tube à flamme via l'entrée du tube à flamme, le système d'injection comprenant un axe injecteur (AA'), et un collecteur d'air (40'd) configuré pour amener de l'air vers des vrilles (40'e) du système d'injection (40'), le collecteur d'air comprenant une partie circulaire (41) autour de l'axe injecteur, la partie circulaire à partir de laquelle s'étend une embouchure (42) formant une entrée d'air du collecteur, l'embouchure (42) étant configurée pour mettre en rotation l'écoulement d'air entrant pour qu'il alimente les vrilles.
  2. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle l'embouchure (42) comprend une partie droite (43) qui s'étend tangentiellement à la partie circulaire (41) et une partie divergente (44) s'étendant à partir de la partie circulaire (41).
  3. 3. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle la partie circulaire (41) présente un rayon constant autour de l'axe injecteur (AA').
  4. 4. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle la partie circulaire (41) présente un rayon croissant autour de l'axe injecteur (AA').
  5. 5. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle l'embouchure (42) présente une forme générale : circulaire, rectangulaire, profilée.
  6. 6. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le tube à flamme est connecté au carter externe (10a) par l'intermédiaire dudit système d'injection (40) en liaison avec le fond de chambre (30).
  7. 7. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le système d'injection présente une direction principale coaxiale à un axe longitudinal Ÿ selon lequel la première portion (201) s'étend.
  8. 8. Chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la première portion (201) du tube à flemme (20) s'étend vers la seconde portion (202) en formant un coude entre l'entrée et la sortie du tube à flamme (20).
  9. 9. Turbomachine comprenant une chambre de combustion selon l'une des revendications précédentes.
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