FR3047544A1 - Chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une turbomachine comprenant une chambre de combustion (10) comportant une virole annulaire interne (12) et une virole annulaire externe (14) coaxiales reliées à leurs extrémités aval à des parois annulaires interne (20) et externe (44, 56, 62) respectivement, de liaison à des carters interne (24) et externe (26), respectivement. Selon l'invention, au moins une première des parois annulaires interne et externe (44, 56, 62) de liaison comprend au moins un circuit (46, 58, 64) de fluide caloporteur s'étendant entre les extrémités radialement interne et externe de ladite première paroi annulaire de liaison (44, 56, 62).

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE
La présente invention concerne une turbomachine équipée d’une chambre de combustion.
Une turbomachine comprend d'amont en aval des étages de compression basse et haute pression alimentant une chambre annulaire de combustion dont les gaz de combustion entraînent en sortie une turbine haute-pression et une turbine basse-pression.
Classiquement, comme représenté en figure 1, une chambre annulaire de combustion 10 comprend deux viroles annulaires interne 12 et externe 14, s’étendant coaxialement autour d’un axe 15 reliées l’une à l’autre à leurs extrémités amont par une paroi annulaire 16 dite de fond de chambre comportant des ouvertures de passage de tête d’injecteurs 18.
Les extrémités aval des viroles annulaires interne 12 et externe 14 sont reliées à des parois annulaires de liaison interne 20 et externe 22 à un carter interne 24 et externe 26, respectivement. En particulier, l’extrémité radialement externe de la paroi annulaire de liaison externe 22 comprend une bride annulaire radiale 28 intercalée et fixée par boulonnage entre une bride annulaire radiale 30 du carter externe 26 et une bride annulaire radiale 32 de l’extrémité amont d’un carter 34 de turbine haute pression. La bride annulaire radiale 30 du carter externe 26 est formée par un épaulement de celle-ci, le carter externe 26 se prolongeant en aval de la chambre de combustion pour entourer le carter 34 de la turbine haute pression. L’extrémité radialement interne de la paroi annulaire interne de liaison 20 comprend une bride annulaire radiale 36 fixée par boulonnage sur une bride annulaire radiale 38 du carter interne 24 de la chambre de combustion 10.
Les parois annulaires interne 20 et externe 22 de liaison aux carters interne 24 et externe 26 comprennent des ouvertures 40 de passage d’air de contournement de la chambre de combustion. Les viroles interne 12 et externe 14 comprennent dans leur partie aval des trous de dilution 42 permettant un apport d’air du compresseur haute pression afin de refroidir les viroles annulaires interne 12 et externe 14 et par voie de conséquence la conduction de chaleur dans les parois interne 20 et externe 22 de liaison.
En fonctionnement, le carter interne 24 et le carter externe 26 sont soumis à des températures moins importantes que les viroles annulaires interne 12 et externe 14 de la chambre de combustion. Il s’ensuit la formation d’un gradient thermique dans les parois annulaires interne 20 et externe 22 de liaison, entre leurs extrémités de jonction aux viroles annulaires interne 12 et externe 14, respectivement, et leurs extrémités opposées de jonction au carter interne 24 et externe 26. De plus, la présence d’ouverture 40 de contournement d’air conduit à refroidir les extrémités de jonction des parois de liaisons interne 20 et externe 22 au carter interne 24 et externe 26 tandis que les extrémités opposées de jonction aux viroles annulaires interne 12 et externe 14 sont très chaudes. Enfin, les parois de liaisons 20, 22 sont soumises en fonctionnement à de fortes contraintes mécaniques qui combinées au fort gradient thermique conduisent à l’apparition de criques limitant la durée de vie de ces pièces.
En outre, dans des études récentes, il a été démontré que plus la variation du gradient thermique dans une paroi de liaison 20, 22, entre ses extrémités radialement interne et radialement externe, est important, plus la durée de vie de la paroi de liaison était faible. Ainsi, pour augmenter la durée de vie des parois de liaison interne et externe, la technique actuelle recommande d’abaisser la température des parois de liaison 20, 22 à leurs extrémités de jonction à une virole de la chambre de combustion et consiste ainsi à réaliser des perçages dans les parois de liaison interne 20 et externe 22 ou dans les parties avals des viroles annulaires interne 12 et externe 14. Toutefois, ces solutions ne sont pas satisfaisantes. L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes de formation de criques dans le but d’améliorer la tenue mécanique et la durée de vie de la chambre de combustion. A cet effet, elle propose une turbomachine comprenant une chambre de combustion comportant une virole annulaire interne et une virole annulaire externe coaxiales reliées à leurs extrémités aval à des parois annulaires interne et externe respectivement, de liaison à des carters interne et externe, respectivement, caractérisée en ce qu’au moins une première des parois annulaires interne et externe de liaison comprend au moins un circuit de fluide caloporteur s’étendant entre les extrémités radialement interne et externe de ladite première paroi annulaire de liaison.
Au contraire de la technique antérieure, l’invention propose non plus de refroidir l’une et/ou l’autre des parois interne et externe de liaison aux carter interne et externe, mais au contraire de faire circuler un fluide caloporteur dans la paroi de liaison de manière à réduire les variations locales de température dans la paroi de liaison et ainsi augmenter sa durée de vie. Ainsi, la température varie sensiblement linéairement, radialement de l’intérieur vers l’extérieur dans une paroi de liaison au contraire de la technique antérieure.
Ledit au moins un circuit s’étend, de préférence, au moins en partie, entre des ouvertures de passage d’air formées dans ladite première paroi de liaison.
Dans une première réalisation de l’invention, ladite première paroi de liaison comprend un seul circuit de fluide caloporteur s’étendant sensiblement sur 360° et comportant une pluralité de premières portions s’étendant radialement entre les ouvertures de ladite première paroi de liaison.
Dans une configuration particulière de la première réalisation, chaque première portion a une forme en U formée d’une partie coudée reliée à deux branches sensiblement parallèles reliées à leurs extrémités opposés à la partie coudée à des secondes portions s’étendant sensiblement circonférentiellement.
Les parties coudées peuvent être toutes agencées au voisinage de la virole annulaire interne ou externe à laquelle la première paroi de liaison est reliée.
De préférence, le circuit comprend un moteur, par exemple électrique, apte à faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit. Le circuit est relié à des moyens de commande de la vitesse d’écoulement du fluide caloporteur dans le circuit.
Les moyens de commande peuvent comprendre un calculateur de commande de la vitesse du moteur qui est relié à un capteur de température du fluide caloporteur et un débitmètre. L’invention concerne également un procédé d’utilisation de la turbomachine telle que décrite ci-dessus, ce procédé consistant à actionner la circulation de fluide dans le circuit de la première paroi de liaison lorsque la phase de vol correspond à l’une de la phase de décollage et de la phase de croisière.
En pratique, les phases de vol telles que les phases de décollage et de croisière correspondent aux phases durant lesquelles les parois de liaison interne et externe sont soumises au plus importantes contraintes thermiques et il est donc préférable d’actionner la circulation de fluide dans le circuit. En effet, au décollage, la poussée devant être maximale, la température de la chambre est alors très importante. La phase de croisière est également une phase critique puisqu’elle correspond à la phase la plus longue.
Dans une seconde réalisation de l’invention, ladite première paroi de liaison comprend une pluralité de circuits fermés et fluidiquement indépendants les uns des autres. L’échange de chaleur entre l’extrémité radiale chaude de la première paroi et son extrémité radiale opposée relativement moins chaude s’effectue au moyen des vibrations de la turbomachine en fonctionnement qui permettent un déplacement du fluide caloporteur dans les circuits fermés. Cette solution ne nécessite pas de prélever d’énergie sur la turbomachine pour son fonctionnement et n’implique donc pas un surcroît de consommation de carburant.
De préférence, chaque circuit fermé comprend deux branches s’étendant sensiblement parallèlement l’une à l’autre entre les extrémités radialement interne et externe de ladite première paroi de liaison. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d’une chambre de combustion selon la technique antérieure, déjà décrite précédemment ; - la figure 2 est une représentation schématique d’une première réalisation d’un circuit de fluide formé dans une paroi de liaison externe ; - la figure 3 est une représentation schématique d’une variante de la première réalisation de l’invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d’une seconde réalisation comprenant une pluralité de circuits de fluide formés dans une paroi de liaison externe.
La figure 1 concernant une chambre de combustion d’un type connu et ayant déjà été décrite précédemment, on se réfère maintenant à la figure 2 qui représente une première réalisation de l’invention.
Au contraire de la technique antérieure, l’invention propose pour réduire les contraintes thermiques dans les parois de liaisons interne et externe 44, d’y intégrer au moins un circuit 46 de fluide caloporteur, le circuit 46 s’étendant au moins entre les extrémités radialement interne et externe de la paroi 44.
Dans une première réalisation de l’invention représentée en figure 2, la paroi de liaison externe 44 comprend un seul circuit 46 de fluide caloporteur s’étendant sur 360° autour de l’axe de la turbomachine. Le circuit 46 de fluide caloporteur comprend une pluralité de premières portions 48 s’étendant radialement entre les ouvertures 42 de passage d’air de la paroi annulaire externe de liaison 44. Ces premières portions 48 présentent chacune une forme en U formée d’une partie coudée 50 reliée à deux branches 52a, 52b sensiblement parallèles l’une à l’autre. Les parties coudées 50 sont toutes agencées au voisinage de la virole annulaire externe 14 (voir figure 1) et les extrémités des branches 52a, 52b de chaque première portion 48, opposées aux parties coudées 50, sont reliées à des secondes portions 54 de circuit qui s’étendent sensiblement circonférentiellement. Ainsi, chaque seconde portion 54 de circuit s’étend circonférentiellement, radialement à l’extérieur d’une ouverture 42 de la paroi de liaison externe 44.
Dans cette réalisation, le fluide circulant par exemple selon la flèche A, sera plus froid dans la branche 52a que dans la branche 52b.
Dans une variante de la réalisation de la figure 2, il serait possible de placer les parties coudées 50 au voisinage du carter externe 26, les extrémités des branches 52a, 52b opposées à la partie coudées étant alors reliées à des secondes parties 54 s’étendant circonférentiellement au voisinage de la virole annulaire externe 14, radialement à l’intérieur d’une ouverture 42.
Dans une autre variante, la paroi de liaison externe 56 pourrait comprendre un circuit 58 de forme différente. Ainsi, il serait possible que les premières portions 60a, 60b du circuit 58 ne soient chacune formées que d’une seule branche (figure 3). Ainsi, chaque première portion 60a, 60b est reliée à son extrémité radialement interne et à son extrémité radialement externe à une seconde portion 62 s’étendant circonférentiellement, une seconde portion 62 étant agencée radialement à l’intérieur d’une ouverture 42 et une seconde portion 64 étant agencée radialement à l’extérieur d’une ouverture 42 adjacente. En pratique, les secondes portions 62, 64 sont ainsi agencées annulairement en quinconce les unes à la suite des autres et reliées par les premières portions 60a, 60b.
Dans cette réalisation, le fluide circulant selon la flèche A, sera plus froid dans la branche 60a que dans la branche 60b.
Chacun des circuits 46, 58 des figures 2 et 3 comprend un organe pour faire circuler le fluide caloporteur, cet organe pouvant être un moteur, par exemple un moteur électrique. Avantageusement, chaque circuit est relié à des moyens de commande comprenant un calculateur de commande de la vitesse du moteur qui est relié à un capteur de température du fluide caloporteur et à un débitmètre.
En fonctionnement, la circulation du fluide caloporteur dans le circuit 46, 58 permet de transférer une partie de la chaleur de l’extrémité radialement interne de la paroi de liaison externe 44, 56 en direction de son extrémité radialement externe. On observe ainsi que l’amplitude maximale du gradient thermique est fortement diminuée par rapport à la technique antérieure, ce qui indique que les variations locales de températures sont plus faibles et permet ainsi d’augmenter la durée de vie de la paroi de liaison.
Dans une seconde réalisation de l’invention, la paroi externe de liaison 62 peut comprendre une pluralité de circuits 64 fermés de fluide caloporteur, les circuits 64 étant indépendants fluidiquement les uns des autres. Comme représenté en figure 4, chaque circuit 64 s’étend radialement entre deux ouvertures 42 successives de la paroi de liaison externe 62. Chaque circuit 64 comprend deux branches 66 sensiblement parallèles l’une à l’autre et reliées l’une l’autre à leurs extrémités radialement internes ainsi qu’à leurs extrémités radialement externes. Dans cette réalisation, la circulation du fluide dans chaque circuit 64 s’effectue par l’intermédiaire des vibrations en fonctionnement de la turbomachine. De même que dans la réalisation précédente, la réduction de l’amplitude du gradient thermique conduit à une amélioration de la tenue mécanique, dans le temps, de la paroi de liaison externe 62.
Si l’invention a été décrite en référence à une paroi de liaison externe 44, 56, 62, on comprend qu’il serait également possible, sans sortir du cadre de l’invention, de réaliser un ou des circuits de fluide comme décrits en référence aux figures 2, 3 et 4, dans une paroi de liaison interne.
Le fluide caloporteur doit de préférence être non inflammable et être un bon fluide caloporteur. Il serait ainsi possible de choisir l’eau comme fluide caloporteur. En cas de fuite du fluide caloporteur du circuit de fluide, la circulation d’eau dans la chambre de combustion correspond alors à une situation d’ingestion d’eau par la turbomachine, déjà prévue lors de la conception de la turbomachine.
Dans le cas des configurations représentées aux figures 2 et 3, il est souhaitable que le fluide ne soit mis en circulation dans le circuit 46, 58 que lors des phases de vol telles que le décollage et la croisière qui correspondent aux phases durant lesquelles les parois de liaison interne et externe sont soumises aux plus importantes contraintes thermiques. A contrario, durant les phases de vol moins critiques, telles que les phases de descente, de ralenti au sol ou d’atterrissage, la circulation du fluide dans le circuit peut être stoppée.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Turbomachine comprenant une chambre de combustion (10) comportant une virole annulaire interne (12) et une virole annulaire externe (14) coaxiales reliées à leurs extrémités aval à des parois annulaires interne (20) et externe (44, 56, 62) respectivement, de liaison à des carters interne (24) et externe (26), respectivement, caractérisée en ce qu’au moins une première des parois annulaires interne et externe (44, 56, 62) de liaison comprend au moins un circuit (46, 58, 64) de fluide caloporteur s’étendant entre les extrémités radialement interne et externe de ladite première paroi annulaire de liaison (44, 56, 62).
  2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un circuit (46, 58) s’étend entre des ouvertures (42) de passage d’air formées dans ladite première paroi de liaison (44, 56).
  3. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce ladite première paroi de liaison (44,56) comprend un seul circuit de fluide caloporteur s’étendant sensiblement sur 360° et comportant une pluralité de premières portions (48, 60) s’étendant radialement entre les ouvertures (42) de ladite première paroi de liaison (44, 56).
  4. 4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque première portion (48) a une forme en U formée d’une partie coudée (50) reliée à deux branches (52) sensiblement parallèles reliées à leurs extrémités opposés à la partie coudée (50) à des secondes portions (54) s’étendant sensiblement circonférentiellement.
  5. 5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les parties coudées (50) sont toutes agencées au voisinage de la virole annulaire interne (12) ou externe (14) à laquelle la première paroi de liaison (44, 56, 62) est reliée.
  6. 6. Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que le circuit (46, 58) comprend un moteur, par exemple électrique, apte à faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit et en ce que le circuit (46, 58) est relié à des moyens de commande de la vitesse d’écoulement du fluide caloporteur dans le circuit (46, 58).
  7. 7. Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de commande comprennent un calculateur de commande de la vitesse du moteur qui est relié à un capteur de température du fluide caloporteur et un débitmètre.
  8. 8. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’il comprend une pluralité de circuits (64) fermés et fluidiquement indépendants les uns des autres.
  9. 9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque circuit (64) fermé comprend deux branches (66) s’étendant sensiblement parallèlement l’une à l’autre entre les extrémités radialement interne et externe de ladite première paroi de liaison (62).
  10. 10. Procédé d’utilisation de la turbomachine selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu’il consiste à actionner la circulation de fluide dans le circuit (46, 58) de la première paroi de liaison (44, 56) lorsque la phase de vol correspond à l’une de la phase de décollage et de la phase de croisière.
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