FR3068076A1 - Systeme de combustion a volume constant avec flux de contournement - Google Patents
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Abstract
Un système de combustion à volume constant pour turbomachine comprend une pluralité de chambres de combustion (1001-10010) réparties de manière annulaire autour d'un axe (XX') chacune munie d'un port d'admission (102) et d'un port d'échappement (103), un élément d'obturation sélective (200) mobile en rotation autour de l'axe (XX') par rapport aux chambres de combustion (100), l'élément d'obturation sélective comprenant une virole (210) comportant sur une première portion annulaire au moins une lumière d'admission (2110) destinée à coopérer avec le port d'admission (102) de chaque chambre de combustion et sur une deuxième portion annulaire (212) au moins une lumière d'échappement (2120) destinée à coopérer avec le port d'échappement (103) de chaque chambre de combustion. L'élément d'obturation sélective (200) comprend en outre une paroi (220) s'étendant depuis la face interne (212) de la virole (210) dans une direction radiale et séparant les première et deuxième portions annulaires de la virole (210). La paroi comporte au moins une lumière de contournement (224) s'étendant sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent la lumière d'admission (2110) et la lumière d'échappement (2120).
Description
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le domaine des chambres de combustion de turbomachines d'aéronef, du type à combustion à volume constant.
L'invention s'applique à tout type de turbomachines, en particulier aux turboréacteurs, turbopropulseurs, et turbomachines à soufflantes non carénées, aussi connues sous le vocable anglo-saxon de « Open Rotor ».
Une turbomachine d'aéronef conventionnelle comporte de manière connue une ou plusieurs chambres de combustion. Une telle chambre de combustion est alimentée en air sous pression par un module de compresseur et il comporte un injecteur de carburant qui est apte à injecter du carburant dans le flux d'air admis pour le brûler et provoquer ainsi l'émission de gaz chauds qui sont utilisés pour entraîner une turbine, qui entraîne à son tour le module de compresseur et qui peut également entraîner une soufflante de la turbomachine.
Dans une telle chambre, le débit de carburant est continu et la combustion fonctionne selon un cycle dit de Brayton, c'est-à-dire selon un cycle de combustion à pression constante. Néanmoins, pour obtenir des gains de consommation spécifiques, il a été envisagé de remplacer la chambre de combustion fonctionnant selon un cycle de Brayton par une pluralité de chambres de combustion fonctionnant selon un cycle de Humphrey, c'est-à-dire selon un cycle de combustion à volume constant ou « CVC ». Le document WO 2016/120551 divulgue un module de combustion à volume constant comportant des chambres de combustion agencées autour d'un axe, chaque chambre comprenant un port d'admission de gaz comprimé et un port d'échappement de gaz brûlés, et une vanne rotative d'admission/d'échappement. Chaque port d'admission/d'échappement est configuré pour être ouvert ou fermé par la vanne rotative d'admission/d'échappement.
Cependant, ce type de module de combustion présente les inconvénients suivants :
- les changements de phases (ouvertures et fermetures des ports des chambres de combustion) génèrent des fluctuations de débit et de pression en amont qui peuvent être problématiques pour le module de compresseur en amont ;
- les variations de pression en sortie du module de combustion dégradent significativement le rendement de la turbine en aval ;
- certaines pièces du module de combustion ne voient que des gaz brûlées et ne sont jamais refroidies.
Objet et résumé de l'invention
L'invention a notamment pour but de fournir un système de combustion à volume constant ne présentant pas les inconvénients précités.
Ce but est atteint grâce à un système de combustion à volume constant pour turbomachine comprenant une pluralité de chambres de combustion réparties de manière annulaire autour d'un axe, chaque chambre de combustion comprenant un port d'admission et un port d'échappement, un élément d'obturation sélective mobile en rotation autour de l'axe par rapport aux chambres de combustion, l'élément d'obturation sélective comprenant une virole en regard des ports d'admission et d'échappement des chambres de combustion, la virole comportant sur une première portion annulaire au moins une lumière d'admission destinée à coopérer avec le port d'admission de chaque chambre de combustion lors de la rotation de l'élément d'obturation sélective et sur une deuxième portion annulaire au moins une lumière d'échappement destinée à coopérer avec le port d'échappement de chaque chambre de combustion lors de la rotation de l'élément d'obturation sélective, caractérisé en ce que l'élément d'obturation sélective comprend en outre une paroi s'étendant depuis la face interne de la virole dans une direction radiale et séparant les première et deuxième portions annulaires de la virole, ladite paroi comportant au moins une lumière de contournement s'étendant sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent ladite au moins une lumière d'admission et ladite au moins une lumière d'échappement.
Ainsi, grâce à la présence d'une ou plusieurs lumières de contournement sur l'élément d'obturation sélective, il est possible d'avoir en permanence un écoulement d'air dans le module de combustion, cet écoulement d'air contournant les chambres de combustion. Par conséquent, avec un écoulement d'air permanent entre le volume tampon en amont du système de combustion (sortie du compresseur) et la sortie du système de combustion (alimentation de la turbine), on réduit les fluctuations de débit et de pression dans le système de combustion, ce qui permet d'améliorer la fluidité de la charge sur un compresseur présent en amont du système de combustion ainsi que le rendement d'une turbine placée en aval du système de combustion. En outre, la ou les lumières de contournement étant présentes sur l'élément en rotation du système de combustion, l'écoulement d'air est distribué régulièrement sur différentes parties du système de combustion, ce qui permet de purger ces parties des gaz brûlées et de les refroidir régulièrement.
Selon une caractéristique particulière du système de combustion de l'invention, celui-ci comprend en outre un collecteur d'échappement fixe qui s'étend de manière annulaire à l'intérieur de la virole de l'élément d'obturation sélective le long de la deuxième portion de ladite virole, le collecteur d'échappement comportant une pluralité de caissons cloisonnés présents chacun au niveau d'un port d'échappement d'une chambre de combustion, chaque caisson comportant une première ouverture en vis-àvis d'un port d'échappement d'une chambre de combustion et une deuxième ouverture apte à coopérer avec chaque lumière de contournement de la paroi de l'élément d'obturation sélective.
Grâce à ce collecteur d'échappement cloisonné, l'échappement d'une chambre de combustion est indépendant des autres chambres de combustion, ce qui permet d'éviter des retours de gaz chauds sous pression d'une chambre vers une autre, en particulier lors d'une phase de balayage d'une chambre de combustion.
Selon une autre caractéristique particulière du système de combustion de l'invention, celui-ci comprend en outre un guide d'admission fixe présent à l'intérieur de la virole de l'élément d'obturation du côté de la première portion dudit élément d'obturation, le guide d'admission comportant un cylindre central prolongé radialement par un disque, le cylindre et le disque formant un déflecteur configuré pour guider l'air arrivant sur le guide d'admission en direction des ports d'admission des chambres de combustion.
Grâce au guide d'admission, on optimise l'introduction d'un flux d'air frais dans chaque chambre de combustion. Le guide d'admission fixe peut comporter en outre une pluralité de lumières aptes à coopérer avec chaque lumière de contournement de la paroi de l'élément d'obturation.
Selon une autre caractéristique particulière du système de combustion de l'invention, l'élément d'obturation sélective est réalisé en un des matériaux suivants : matériau métallique, matériau composite à matrice céramique et matériau céramique eutectique.
Selon encore une autre caractéristique particulière du système de combustion de l'invention, chaque chambre de combustion est délimitée par une enceinte, un fond arrière fermé solidaire de l'enceinte et un anneau cylindrique sur la face externe duquel l'enceinte est fixée, l'anneau cylindrique formant un fond avant de chaque chambre de combustion, l'anneau cylindrique comportant une première série de lumières formant chacune un port d'admission d'une chambre de combustion et une deuxième série de lumières formant chacune un port d'échappement d'une chambre de combustion.
Une telle conception facilite la fabrication des chambres de combustion et leur distribution annulaire autour de l'axe du système de combustion.
Selon toujours une caractéristique particulière du système de combustion de l'invention, celui-ci comprend dix chambres de combustion réparties de manière annulaire autour de l'axe, la virole de l'élément d'obturation sélective comportant deux lumières d'admission diamétralement opposées sur la première portion annulaire et deux lumières d'échappement diamétralement opposées sur la deuxième portion annulaire de ladite virole, la paroi de l'élément d'obturation sélective comportant deux lumières de contournement s'étendant sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent les deux lumières d'admission et les deux lumières d'échappement.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant un compresseur axial ou centrifuge et une turbine axiale ou centripète, la turbomachine comprenant en outre un système de combustion selon l'invention, le système de combustion étant présent entre le compresseur et la turbine.
L'invention a encore pour objet un aéronef comprenant au moins un turbopropulseur, le turbopropulseur comprenant une turbomachine selon l'invention.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une turbomachine comprenant un système de combustion conformément à un mode de réalisation de l'invention, la figure 2A est une vue schématique en perspective éclatée du système de combustion de la figure 1, la figure 2B est une vue de détail de la figure 2A montrant des chambre de combustion, les figures 3A et 3B sont des vues schématiques en perspective de l'élément d'obturation sélective du système de combustion de la figure 1, la figure 3C est une vue de face de l'élément d'obturation sélective du système de combustion de la figure 1, la figure 4 est une vue schématique en perspective montrant le guide d'admission du système de combustion de la figure 1, les figures 5A à 5D sont des vues en perspective du collecteur d'échappement du système de combustion de la figure 1, la figure 6 est une vue schématique en perspective des chambres de combustion et de l'élément d'obturation sélective du système de combustion de la figure 1, la figure 7 est une vue schématique développée montrant les positions relatives entre les ports d'admission et d'échappement des plusieurs chambres de combustion, une lumière d'admission, une lumière d'échappement et une lumière de contournement de l'élément d'obturation sélective dans la position du système de combustion illustré sur la figure 6, la figure 8 est un tableau montrant les différentes phases du cycle de Humphrey de chaque chambre de combustion en fonction de la position angulaire ou de rotation de l'élément d'obturation du système de combustion de la figure 1, les figures 9A à 9F sont des vues partielles en perspective du système de combustion de la figure 1 suivant plusieurs positions angulaires de l'élément d'obturation, les figures 10A à 10F sont des vues de face du système de combustion de la figure 1 suivant plusieurs positions angulaires de l'élément d'obturation, la figure 11 est un graphique montrant, pour un cycle de combustion, l'évolution des pressions dans une chambre de combustion, dans un caisson du collecteur d'échappement lorsque que l'élément d'obturation sélective ne comprend pas de lumière de contournement et lorsque que l'élément d'obturation sélective comprend au moins une lumière de contournement.
Description détaillée de modes de réalisation
L'invention s'applique d'une manière générale à une turbomachine comprenant un compresseur axial ou centrifuge et d'une turbine axiale ou centripète.
Les figures 1, 2A à 2B illustrent un système de combustion 1 conformément à un mode de réalisation de l'invention. Dans l'exemple décrit ici et tel que représenté sur la figure 1, le système de combustion 1 est intégré dans une turbomachine ou turbomoteur 10 pour turbopropulseur, le système de combustion étant placé dans le turbomoteur en aval d'un compresseur axialo-centrifuge 11 et en amont d'une turbine axiale 12, le compresseur 11 et la turbine 12 étant reliés entre eux par un système d'arbres 13. La turbine 12 comprend une roue mobile 120 reliée en son centre au système d'arbres 13 et comportant à son extrémité radiale externe une pluralité d'aubes 121.
Le système de combustion 1 comprend une pluralité de chambres de combustion, dans le mode de réalisation décrit ici 10 chambres de combustion 100, dénombrées lOOi à lOOio sur la figure 2A, réparties de manière annulaire autour d'un axe XX' définissant une direction axiale Da. Chaque chambre de combustion 100 est délimitée par une enceinte 101, ici de forme sensiblement parallélépipédique, un fond arrière fermé 101b solidaire de l'enceinte 101 et un anneau cylindrique 110 sur la face externe 112 duquel l'enceinte 101 est fixée par exemple par soudage, brasage, liaison mécanique (vis-écrou) ou collage lorsque les enceintes 101 et l'anneau cylindrique 110 sont réalisés en matériau métallique. L'anneau cylindrique 110 et les enceintes 101 peuvent être également réalisés en matériau composite à matrice céramique (CMC), c'est-à-dire un matériau formé d'un renfort en fibres de carbone ou céramique densifié par une matrice au moins partiellement céramique.
L'anneau cylindrique 110 forme le fond avant 101a de chaque chambre de combustion qui est situé au plus près de l'axe XX' dans une direction opposé au fond arrière 101b suivant une direction radiale Dr. L'anneau cylindrique 110 comporte une première série de lumières 113 formant chacune un port d'admission 102 d'une chambre de combustion 100 et une deuxième série de lumières 114 formant chacune un port d'échappement 103 d'une chambre de combustion 100 (figure 2B). Le fond avant 101a de chaque chambre de combustion 100 comporte ainsi un port d'admission 102 et un port d'échappement 103. La face interne 111 de l'anneau cylindrique 110, qui comporte les ports d'admission et d'échappement de chaque chambre de combustion, est destinée à être placée en regard d'une virole d'un élément d'obturation sélective décrit ciaprès en détails. Les enceintes 101 des chambres de combustion s'étendent depuis la face externe 112 de l'anneau 110 dans la direction radiale Dr. Dans l'exemple décrit ici, chaque chambre de combustion 100 est en outre munie d'un injecteur 104 de carburant placé ici sur le fond arrière 101b de chaque chambre 100. L'injection peut être également mise en œuvre au moyen d'une roue d'injection (non représentée sur les figures 1, 2A et 2B). La combustion peut être initiée de façon connue soit par un allumeur à étincelle (bougie), soit par un allumeur thermique à gaz (non représentés sur les figures 1, 2A et 2B). Si les conditions le permettent, la combustion peut également être initiée par recirculation des gaz d’échappement, ou RGE, comme dans un moteur diesel.
Le système de combustion 1 comprend également un élément d'obturation sélective 200 mobile en rotation autour de l'axe XX' par rapport aux chambres de combustion 100. L'élément d'obturation sélective 200 comprend une virole 210 en regard des ports d'admission et d'échappement 102 et 103 des chambres de combustion 100. La virole 210 est divisée en une première portion annulaire 211 et une deuxième portion annulaire 212 s'étendant chacune sur toute la circonférence de la virole 210 (figures 3A et 3B). La première portion annulaire 211 comporte au moins une lumière d'admission destinée à coopérer avec le port d'admission 102 de chaque chambre de combustion 100 lors de la rotation de l'élément d'obturation sélective 200. Dans l'exemple décrit ici, la première portion annulaire 211 comporte deux lumières d'admission 2110 et 2111 décalées angulairement de 180° le long de la première portion. La deuxième portion annulaire 212 comporte au moins une lumière d'échappement destinée à coopérer avec le port d'échappement 103 de chaque chambre de combustion 100 lors de la rotation de l'élément d'obturation sélective 200. Dans l'exemple décrit ici, la deuxième portion annulaire 212 comporte deux lumières d'échappement 2120 et 2121 décalées angulairement de 180° le long de la deuxième portion. Le début de chaque lumière d'admission 2110, 2111 est aligné angulairement respectivement avec le début de chaque lumière d'échappement 2120 et 2121, les lumières d'échappement s'étendant sur une longueur circonférentielle plus grande que les lumières d'admission. L'élément d'obturation sélective peut être réalisé en matériau métallique ou en matériau composite CMC.
Le système de combustion 1 comprend en outre un guide d'admission fixe 300 présent à l'intérieur de la virole 210 de l'élément d'obturation 200 du côté de la première portion 211 de l'élément d'obturation et un collecteur d'échappement fixe 400 qui s'étend de manière annulaire à l'intérieur de la virole 210 de l'élément d'obturation sélective du côté et le long de la deuxième portion 212 de ladite virole (figure 4). Le guide d'admission 300 comprend un cylindre central 301 prolongé radialement par un disque 302, le cylindre 301 et le disque 302 formant un déflecteur pour l'air d'admission issu par exemple d'un compresseur 11 disposé en amont du système de combustion. Le déflecteur ainsi formé permet de guider l'air arrivant sur le guide d'admission en direction des ports d'admission des chambres de combustion. Le guide d'admission comporte ici une pluralité de lumières 303 présentes sur le disque 302 dont la fonction est définie ci-après. Selon une variante de réalisation du guide d'admission, celui ne comprend pas de lumières 303, le disque 302 s'arrêtant en dessous des lumières de contournement 223 et 224 présentes sur l'élément d'obturation sélective
200. Le guide d'admission peut être réalisé en matériau métallique ou en matériau composite CMC.
Comme illustré sur les figures 5A à 5D, le collecteur d'échappement 400 comporte une pluralité de caissons 410 cloisonnés répartis de manière annulaire à la périphérie externe du collecteur d'échappement, chaque caisson étant placé en vis-à-vis d'un port d'échappement 103 d'une chambre de combustion 100 (figure 5D). Plus précisément, chaque caisson 410 est délimité par deux parois 411 qui s'étendent dans la direction radiale Dr et qui définissent une première ouverture 413 présente en vis-à-vis d'un port d'échappement 103 d'une chambre de combustion 100, la longueur I413 de la première ouverture 413 étant supérieure ou égale à la longueur I103 du port d'échappement 103 (figures 5C et 5D). Dans l'exemple décrit ici, puisque le système de combustion comprend 10 chambres de combustion, le collecteur d'échappement 400 comprend 10 caissons 410. Les parois 411 définissent également une deuxième ouverture 414 dont la fonction est définie ci-après. Le collecteur d'échappement 400 comprend en outre une roue fixe 420 comportant une pluralité d'aubes fixes 421 présentes en aval des caissons 410. Les termes amont et aval sont utilisés ici en référence au sens d'écoulement du flux gazeux dans le système de combustion (flèche F sur les figures 1 et 2A). La roue 420 avec les parois 411 joue le rôle de distributeur pour les gaz issus du système de combustion. Le collecteur d’échappement peut être réalisé en matériau métallique ou en matériau composite CMC.
L'élément d'obturation sélective 200 comprend en outre une paroi 220 s'étendant dans la direction radiale Dr (c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe XX') depuis la face interne 210a de la virole, la paroi 220 séparant les première et deuxième portions annulaires 211 et 212 de la virole 210 (figures 3A et 3B). La paroi 220 présente une ouverture centrale circulaire 221 dont le bord est délimité par un cylindre 222. Le cylindre 222 est monté du côté amont sur un premier palier à roulement 230 solidaire du cylindre 220, le premier palier 230 est muni d'une roue dentée 231 en prise avec un pignon 232 monté sur un arbre d'entrainement 233. Le cylindre 222 comprend du côté aval un deuxième palier à roulement 240. La mise en rotation de l'élément d'obturation est ici commandée par l'arbre d'entrainement 233 qui est relié à un moteur externe au système de combustion (non représenté sur les figures 1 et 2A), l'arbre 233 traversant le guide d'admission 300.
Les chambres de combustion 100, l'élément d'obturation sélective 200, le guide d'admission 300 et le collecteur d'échappement 400 sont montés à l'intérieur d'un carter 500 formé en deux parties 501 et 502.
L'élément d'obturation sélective 200 est le seul élément mobile en rotation dans le système de combustion 1. Lors de sa rotation, l'élément d'obturation 200 va ouvrir et fermer sélectivement les ports d'admission et d'échappement 102 et 103 de chaque chambre de combustion afin de mettre en oeuvre une combustion à volume constant selon le cycle de Humphrey, c'est-à-dire comportant un temps de combustion, un temps d'échappement, et un temps d'admission d'air frais et de balayage des gaz brûlés. Plus précisément, comme illustré sur les figures 6 et 7, en fonction de l'angle de rotation de l'élément d'obturation sélective et, par conséquent, de la position des lumières d'admission et d'échappement présentes sur la virole de l'élément d'obturation, certaines chambres de combustion 100 sont dans la phase de balayage, d'autre dans la phase d'échappement et encore d'autres dans la phase de combustion. La figure 8 illustre les phases des chambres lOOi à 100s lorsque le début des premières lumières d'admission et d'échappement 2111 et 2121 présentes sur la virole 210 de l'élément d'obturation 200 est aligné avec le début des ports d'admission et d'échappement 102, 103 de la chambre 100i. La lumière 2111 s'étend ici sur une longueur I2111 couvrant à la fois un port d'admission d'une première chambre, ici la chambre 1001, et une partie du port d'admission d'une deuxième chambre, ici la chambre 1002, adjacente à la première chambre. La lumière d'échappement 2121 s'étend sur une longueur I2120 couvrant 3 chambres de combustion consécutive, ici les chambres ΙΟΟι, IOO2 et IOO3. Le début des lumières d'admission et d'échappement 2111 et 2121 sont alignées sur la virole 210 suivant la direction axiale Da.
Dans la position angulaire ou de rotation de la virole 210 illustrée sur les figures 6 et 7, les chambre de combustion ΙΟΟι et 1002 sont en phase de balayage car les lumières d'admission et d'échappement 2111 et 2121 ouvrent totalement les ports d'admission et d'échappement 102 et 103 des chambres ΙΟΟι et 1002. La chambre IOO3 est dans une phase d'échappement, son port d'admission 102 étant totalement fermé par la virole 210 tandis que son port d'échappement 103 est totalement ouvert par la lumière d'échappement 2121. Enfin, les chambres de combustion 1004 et 1005 sont toutes les deux dans une phase de combustion, leurs ports d'admission et d'échappement étant totalement fermés par la virole 210.
La figure 8 est un tableau montrant les différentes phases du cycle de Humphrey de chaque chambre de combustion lOOi à lOOio en fonction de la position angulaire θ ou de rotation de l'élément d'obturation 200. Les 6 premières positions angulaires θ de l'élément d'obturation indiquées sur la figure 8, à savoir 0°, 36°, 72°, 108°, 144° et 180° sont illustrées respectivement sur les figures 9A à 9F.
Conformément à l'invention, l'élément d'obturation sélective comprend une ou plusieurs lumières de contournement. Plus précisément, dans le mode de réalisation décrit ici, la paroi 220 de l'élément d'obturation 200 comprend des première et deuxième lumières de contournement 223 et 224 qui sont disposées de manière diamétralement opposée sur la paroi 220 (figures 3A à 3C). Chaque lumière de contournement s'étend sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent la ou les lumières d'admission et d'échappement. Dans l'exemple décrit ici les première et deuxième lumières de contournement 223 et 224 s'étendent respectivement sur des zones angulaires situées entre les zones angulaires sur lesquelles s'étendent les premières lumières d'admission et d'échappement 2110 et 2120, d'une part, et les deuxièmes lumières d'admission et d'échappement 2111 et 2121 d'autre part.
Le guide d'admission 300 comporte une pluralité de lumières 303 présentes sur le disque 302 qui sont destinées à coopérer avec les lumières de contournement 223 et 224 de l'élément d'obturation sélective 200 lors de sa rotation afin de permettre la circulation d'un flux de contournement dans le système de combustion.
De même, le collecteur d'échappement 400 comprend une pluralité d'ouvertures 414 qui sont destinées à coopérer avec les lumières de contournement 223 et 224 de l'élément d'obturation sélective 200 lors de sa rotation afin de permettre la circulation d'un flux de contournement dans le système de combustion.
Les figures 10A à 10F montrent les positions des lumières de contournement 223 et 224 de l'élément d'obturation 200 dans le système de combustion 1 pour une demi-révolution (180°) de l'élément d'obturation sélective 200, les figures 9A à 9F montrant l'élément d'obturation après respectivement une rotation θ de 0°, 36°, 72°, 108°, 144° et 180°.
Dans chacune des positions illustrées sur les figures 10A à 10F, les lumières de contournement 223 et 224 sont ouvertes au niveau des chambres de combustion en phase de combustion. Dans la position 0° représentée sur la figure 10A, seules les chambres de combustion 1003, 1004, 1008 et 1009 sont en phase de combustion (figure 8), c'est-à-dire que les ports d'admission et d'échappement de ces quatre chambres sont fermés. Dans cette position de l'élément d'obturation, la lumière de contournement 223 est alignée angulairement avec les chambres de combustion 1003 et 1004 tandis que la lumière de contournement 224 est alignée angulairement avec les chambres de combustion 100s et 1009. De même, en correspondance avec le tableau de la figure 8, les lumières de contournement représentées sur les figures 10B à 10F sont alignées angulairement avec les chambres de combustion en phase de combustion suivant la position de rotation de l'élément d'obturation sélective 200. L'ouverture d'une lumière de contournement au niveau d'une ou plusieurs chambres de combustion en phase de combustion (i.e. l'alignement angulaire d'une lumière de contournement avec une ou plusieurs chambres en phase de combustion) est réalisé en positionnant chaque lumière de contournement de la paroi de l'élément d'obturation sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent les lumières d'admission et d'échappement de la virole de l'élément d'obturation. Dans l'exemple décrit ici, les lumières de contournement 223 et 224 s'étendent sur une zone angulaire située entre une première zone angulaire sur laquelle s'étendent les premières lumières d'admission et d'échappement 2110 et 2120 et une deuxième zone sur laquelle s'étendent les deuxièmes lumières d'admission et d'échappement 2111 et 2121.
Grâce à la présence d'une ou plusieurs lumières de contournement sur l'élément d'obturation sélective comme décrites ci-avant, il est possible d'avoir un écoulement d'air permanent au travers du système de combustion. Comme le montre le tableau de la figure 8, quelle que soit la position de rotation de l'élément d'obturation, six chambres de combustion sur dix ont leur port d'admission fermé. Par conséquent, le compresseur en amont du système de combustion n'alimente simultanément que quatre chambres de combustion sur dix. Les changements de phases, à savoir les ouvertures et les fermetures des ports des chambres de combustion, génèrent des fluctuations de débit et de pression en amont qui peuvent être problématiques pour le compresseur. Ainsi, en ajoutant des lumières de contournement comme décrits ci-avant, le système de combustion est toujours placé dans une configuration équivalente à celle où huit chambres sur dix sont débitantes (quatre chambres étant en phase de balayage/admission et les lumières de contournement étant équivalentes à quatre chambres débitantes) au lieu de seulement quatre chambres débitantes sans les lumières de contournement. La fluidité de la charge du compresseur est significativement améliorée avec la présence d'une ou plusieurs lumières de contournement. En outre, les parties du système de combustion, en particulier les caissons du collecteur d'échappement, qui sans la ou les lumières de contournement ne reçoivent que des gaz brûlés, sont régulièrement purgées avec de l'air frais et, par conséquent, refroidies.
La figure 11 montre, pour un cycle de combustion, l'évolution des pressions dans une chambre de combustion (courbe A), dans un caisson du collecteur d'échappement coopérant avec le port d'échappement de la chambre lorsque que l'élément d'obturation sélective ne comprend pas de lumière de contournement (paroi pleine) (courbe B) et dans un même caisson du collecteur d'échappement lorsque que l'élément d'obturation sélective comprend au moins une lumière de contournement (courbe C). On constate qu'avec au moins une lumière de contournement présente sur la paroi de l'élément d'obturation sélective, il n'y a pas de chute de pression dans le collecteur pendant la phase de combustion et qu'une pression plus importante est transmise à la turbine pendant la phase d'échappement, ce qui améliore grandement le rendement de la turbine et sa stabilité de fonctionnement.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Système de combustion à volume constant (1) pour turbomachine comprenant une pluralité de chambres de combustion (100) réparties de manière annulaire autour d'un axe (XX'), chaque chambre de combustion comprenant un port d'admission (102) et un port d'échappement (103), un élément d'obturation sélective (200) mobile en rotation autour de l'axe (XX') par rapport aux chambres de combustion (100), l'élément d'obturation sélective comprenant une virole (210) en regard des ports d'admission et d'échappement (102, 103) des chambres de combustion (100), la virole (210) comportant sur une première portion annulaire (211) au moins une lumière d'admission (2110) destinée à coopérer avec le port d'admission (102) de chaque chambre de combustion lors de la rotation de l'élément d'obturation sélective (200) et sur une deuxième portion annulaire (212) au moins une lumière d'échappement (2120) destinée à coopérer avec le port d'échappement (103) de chaque chambre de combustion lors de la rotation de l'élément d'obturation sélective, caractérisé en ce que l'élément d'obturation sélective (200) comprend en outre une paroi (220) s'étendant depuis la face interne (212) de la virole (210) dans une direction radiale (Dr) et séparant les première et deuxième portions annulaires (211, 212) de la virole (210), ladite paroi comportant au moins une lumière de contournement (223) s'étendant sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent ladite au moins une lumière d'admission (2110) et ladite au moins une lumière d'échappement (2120).
- 2. Système selon la revendication 1, comprenant en outre un collecteur d'échappement fixe (400) qui s'étend de manière annulaire à l'intérieur de la virole (210) de l'élément d'obturation sélective (200) le long de la deuxième portion de ladite virole, le collecteur d'échappement comportant une pluralité de caissons cloisonnés (410) présents chacun au niveau d'un port d'échappement (103) d'une chambre de combustion (100), chaque caisson comportant une première ouverture (413) en vis-àvis d'un port d'échappement d'une chambre de combustion et une deuxième ouverture (414) apte à coopérer avec chaque lumière de contournement (223) de la paroi (220) de l'élément d'obturation sélective (200).
- 3. Système selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un guide d'admission fixe (300) présent à l'intérieur de la virole (210) de l'élément d'obturation sélective (200) du côté de la première portion (211) dudit élément d'obturation, le guide d'admission comportant un cylindre central (301) prolongé radialement par un disque (302), le cylindre et le disque formant un déflecteur configuré pour guider l'air arrivant sur le guide d'admission en direction des ports d'admission (102) des chambres de combustion (100).
- 4. Système selon la revendication 3, dans lequel le guide d'admission fixe (300) comportant en outre une pluralité de lumières (313) aptes à coopérer avec chaque lumière de contournement (223) de la paroi de l'élément d'obturation sélective (200).
- 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément d'obturation sélective (200) est réalisé en un des matériaux suivants : matériau métallique, matériau composite à matrice céramique et matériau céramique eutectique.
- 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque chambre de combustion (100) est délimitée par une enceinte (101), un fond arrière fermé (100b) solidaire de l'enceinte et un anneau cylindrique (110) sur la face externe (112) duquel l'enceinte est fixée, l'anneau cylindrique (110) formant un fond avant (100a) de chaque chambre de combustion, l'anneau cylindrique comportant une première série de lumières (113) formant chacune un port d'admission (102) d'une chambre de combustion (100) et une deuxième série de lumières (114) formant chacune un port d'échappement (103) d'une chambre de combustion.
- 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant dix chambres de combustion (lOOi-lOOio) réparties de manière annulaire autour de l'axe (XX'), la virole (210) de l'élément d'obturation sélective (200) comportant deux lumières d'admission (2110, 2111) diamétralement opposées sur la première portion annulaire (211) et deux lumières d'échappement (2120, 2121) diamétralement opposées sur la deuxième portion annulaire (212) de ladite virole, la paroi (220) de5 l'élément d'obturation sélective comportant deux lumières de contournement (223, 224) s'étendant sur une zone angulaire située en dehors des zones angulaires sur lesquelles s'étendent les deux lumières d'admission (2110, 2111) et les deux lumières d'échappement (2120, 2121).
- 8. Turbomachine (10) comprenant un compresseur axial ou centrifuge (11) et une turbine axiale ou centripète (12), la turbomachine comprenant en outre un système de combustion (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, le système de combustion étant15 présent entre le compresseur et la turbine.
- 9. Aéronef comprenant au moins un turbopropulseur, le turbopropulseur comprenant une turbomachine selon la revendication 8.
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR1755765A Active FR3068076B1 (fr) | 2017-06-23 | 2017-06-23 | Systeme de combustion a volume constant avec flux de contournement |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11168610B2 (en) * | 2017-06-23 | 2021-11-09 | Safran | Constant-volume combustion system comprising a rotating closure element with segmented apertures |
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2017
- 2017-06-23 FR FR1755765A patent/FR3068076B1/fr active Active
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| Publication number | Publication date |
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