FR3072448B1

FR3072448B1 - Chambre de combustion de turbomachine

Info

Publication number: FR3072448B1
Application number: FR1759575A
Authority: FR
Inventors: Pierre Alberola Vincent; Jean-Francois CABRE
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: FR3072448A1

Abstract

L'invention concerne une chambre annulaire de combustion comprenant deux viroles annulaires interne et externe coaxiales reliées à leurs extrémités amont à une paroi annulaire de fond de chambre, au moins l'une de la virole annulaire interne et externe comprenant une première et une seconde parois (36, 38) annulaires coaxiales reliées l'une à l'autre par des raidisseurs (42), lesdites première et seconde parois (36, 38) annulaires comprenant des rangées annulaires d'orifices de ventilation (34) répartis uniformément autour de l'axe de la chambre, caractérisée en ce que les raidisseurs (42) sont agencés sous la forme de rangées annulaires disposées longitudinalement en alternance avec les rangées annulaires d'orifices (34) d'au moins l'une de la première et de la seconde des parois (36, 38) annulaires, et en ce que chaque raidisseur (42) est disposé suivant une direction donnée entre deux orifices (34) de deux rangées annulaires longitudinalement consécutives de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires (36, 38).

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION DE TURBOMACHINE

DOMAINE

[001] La présente invention concerne une chambre de combustion pour une turbomachine, ainsi qu’une turbomachine équipée d’une telle chambre de combustion.

CONTEXTE

[002] Une turbomachine 10 comprend d'amont (AM) en aval (AV) des étages de compression basse et haute pressions alimentant une chambre annulaire de combustion dont les gaz de combustion entraînent en sortie des rotors de turbine haute-pression et basse-pression. Classiquement, comme représenté en figure 1, une chambre annulaire de combustion 12 comprend deux viroles annulaires 14, 16 interne et externe s’étendant coaxialement autour d’un axe longitudinal A et reliées l’une à l’autre à leurs extrémités amont par une paroi annulaire 18 dite de fond de chambre comportant des ouvertures de passage de tête d’injecteurs.

[003] L’extrémité aval de chacune des viroles annulaires 14, 16 interne et externe est reliée à une paroi annulaire de liaison 20, 22 à un carter interne ou externe. En particulier, l’extrémité radialement externe de la paroi annulaire de liaison externe 22 comprend une bride annulaire radiale 24 intercalée et fixée entre une bride annulaire radiale du carter externe amont 26 et une bride annulaire radiale d’un carter externe aval 28 de turbine haute pression. De même manière, la paroi annulaire interne 20 de liaison comprend une bride annulaire radiale 30 fixée sur une bride annulaire radiale du carter interne 32 de la chambre de combustion 12.

[004] En fonctionnement, les viroles annulaires 14, 16 interne et externe sont en contact avec la flamme de combustion et l’air de contournement de la chambre de combustion 12 qui provient du compresseur haute pression.

Ainsi, les viroles annulaires 14, 16 interne et externe sont soumises à des gradients thermiques qui entraînent de forte contraintes mécaniques.

[005] Ces fortes contraintes mécaniques peuvent conduire à la formation de criques se propageant le long des viroles annulaires 14, 16 interne et externe de la chambre de combustion 12 qui peuvent induire un défaut de conformité nécessitant le remplacement de la pièce concernée.

[006] Afin de réduire l’impact des gradients thermiques sur les viroles annulaires 14, 16 interne et externe, plusieurs solutions ont été proposées. [007] Ainsi, pour refroidir les viroles annulaires 14, 16 interne et externe, il est connu d’ajouter des orifices de ventilation 34 en aval de la bougie afin de refroidir les viroles annulaires 14, 16 interne et externe. Toutefois, les orifices de ventilation 34 disposés sur une virole annulaire 14, 16 comprenant une paroi unique ne sont pas suffisants pour réduire l’impact du gradient thermique.

[008] Pour mieux refroidir, il a encore été proposé que les viroles annulaires interne et externe de la chambre de combustion comprennent chacune deux parois annulaires coaxiales reliées l’une à l’autre par des raidisseurs. Chaque paroi d’une virole annulaire comprend des orifices de ventilation en aval de la bougie afin de permettre la formation d’un film d’air à l’intérieur des viroles annulaires interne et externe. Ainsi, les viroles annulaires interne et externe comprenant une double paroi sont soumises à un différentiel de température moins important du fait d’une circulation d’air entre les deux parois d’une virole annulaire. Il en résulte que les contraintes thermomécaniques appliquées aux viroles annulaires interne et externe sont moins importantes.

[009] Toutefois, la présence d’une double paroi munie d'orifices de ventilation ne suffit pas pour garantir un bon écoulement de l’air entre les deux parois d’une virole annulaire interne ou externe et s’avère donc insuffisant pour réduire les contraintes thermomécaniques auxquelles sont soumises les viroles annulaires interne et externe.

RESUME DE L’INVENTION

[010] L’invention a notamment pour but une d’apporter une solution simple, rapide, efficace et économique aux problèmes précités de la technique antérieure.

[011] A cet effet, elle propose une chambre annulaire de combustion comprenant deux viroles annulaires interne et externe coaxiales reliées à leurs extrémités amont à une paroi annulaire de fond de chambre, au moins l’une de la virole annulaire interne et externe comprenant une première et une seconde parois annulaires coaxiales reliées l’une à l’autre par des raidisseurs, lesdites première et seconde parois annulaires comprenant des rangées annulaires d’orifices de ventilation répartis uniformément autour de l’axe de la chambre, caractérisée en ce que les raidisseurs sont agencés sous la forme de rangées annulaires disposées longitudinalement en alternance avec les rangées annulaires d’orifices d’au moins l’une de la première et de la seconde des parois annulaires, et en ce que chaque raidisseur est disposé suivant une direction donnée entre deux orifices de deux rangées annulaires longitudinalement consécutives de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires.

[012] L’agencement de raidisseurs s’étendant entre la première et la seconde parois des viroles annulaires interne et externe permet de limiter les affaiblissements mécaniques générés par la présence d’orifices de ventilation. La disposition de raidisseurs selon une direction donnée entre deux orifices de deux rangées annulaires longitudinalement consécutives permet la formation d’un écoulement turbulent entre les première et seconde parois. Préférentiellement, cette direction donnée est longitudinale. L’écoulement turbulent est généré par un flux d’air traversant les orifices de ventilation de la seconde paroi 40 et venant impacter le raidisseur afin de se scinder en deux. En fonctionnement, les contraintes mécaniques que subissent les première et seconde parois de la virole annulaire sont réduites dû à un gradient thermique moins important. Cette réduction des gradients thermiques est obtenue à l’aide de l’écoulement d’air turbulent qui permet de mieux refroidir les première et seconde parois de la virole annulaire interne ou externe, et par suite de réduire les contraintes thermomécaniques appliquées aux viroles annulaires. Ces gradients thermiques moins importants limitent les risques de formation de criques et augmentent la durée de vie de la virole annulaire. La présence de raidisseurs permet la formation d’un écoulement turbulent d’air froid entre les première et seconde parois de la virole annulaire.

[013] Avantageusement, chaque raidisseur est disposé longitudinalement entre deux orifices de deux rangées annulaires longitudinalement consécutives de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires.

[014] L’agencement des rangées annulaires de raidisseurs entre des rangées annulaires consécutives d’orifices de ventilation permet de limiter les affaiblissements mécaniques dans la direction longitudinale de la turbomachine. Il sera compris dans la présente demande que les rangées longitudinales s’étendent selon l’axe longitudinal de la turbomachine.

[015] Selon une autre caractéristique de l’invention, les raidisseurs sont alignés longitudinalement et disposés en alternance avec des orifices de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires.

[016] L’alternance de rangées annulaires de raidisseurs avec des rangées annulaires d’orifices de ventilation permet de générer un écoulement plus turbulent de l’air par rapport à la technique antérieure qui favorise l’efficacité du refroidissement des première et seconde parois.

[017] Avantageusement, la première paroi comprend une alternance circonférentielle d’un premier type de rangées longitudinales comportant uniquement des orifices de ventilation et d’un second type de rangées longitudinales comportant des orifices de ventilation disposés axialement en alternance avec des raidisseurs.

[018] Cette configuration permet d’obtenir un bon compromis entre d’une part la réalisation d’un écoulement turbulent d’air entre les deux parois par l’alternance longitudinale d’orifices de ventilation et de raidisseurs pour les rangées du second type et d’autre part la nécessité de ne pas alourdir la turbomachine par un ajout d’un grand nombre de raidisseurs. Cette réalisation confère également une bonne rigidité à la virole annulaire.

[019] Avantageusement, les raidisseurs ont une forme cylindrique dont la section présente un diamètre supérieur à celui des orifices de ventilation. [020] Il est préférable que les raidisseurs aient une forme cylindrique pour limiter les contraintes générées par les flux d’air venant les impacter et favoriser la formation d’un écoulement turbulent. Un diamètre de raidisseur plus important que celui des orifices de ventilation placés en amont permet de faire diverger dans des directions plus éloignées le flux d’air provenant desdits orifices de ventilation en amont des raidisseurs et de le rendre plus turbulent.

[021] Avantageusement, la première paroi annulaire est agencée relativement à la seconde paroi annulaire de manière à être, en fonctionnement, en contact direct avec la flamme de combustion, et les axes des orifices de ventilation de la seconde paroi interceptent la première paroi longitudinalement entre deux orifices de deux rangées annulaires consécutives.

[022] Il est préférable que les axes des orifices de ventilation des première et seconde parois soient suffisamment espacés dans une direction longitudinale afin que le flux de ventilation passant par une rangée annulaire d’orifices de ventilation de la seconde paroi vienne intercepter la première paroi entre deux rangées annulaires d’orifices de ventilation. En effet, si l’air passant par un orifice de la seconde paroi rejoignait directement l’orifice de la première paroi, alors aucune turbulence ne serait générée.

[023] Avantageusement, les orifices de ventilation sont répartis circonférentiellement au sein d’une rangée annulaire donnée tous les 5 mm. [024] Une telle répartition des orifices de ventilation permet d’avoir un nombre conséquent d'orifices de ventilation au niveau d’une rangée annulaire, ce qui permet d’optimiser le refroidissement par écoulement d’air entre les parois de la chambre de combustion.

[025] Avantageusement, les raidisseurs sont répartis circonférentiellement, au sein d’une rangée annulaire donnée, tous les 10 mm.

[026] Une telle répartition des raidisseurs dans une rangée annulaire permet de garantir une certaine rigidité des viroles annulaires interne et externe sans toutefois augmenter la masse de la chambre de combustion de manière significative.

[027] De préférence, les orifices de ventilation des première et seconde parois ont chacun un axe ayant un angle compris entre 60° et 80° par rapport à l’axe de la chambre. Préférablement, dans cette configuration, les axes des orifices de ventilation sont dépourvus de composante circonférentielle.

[028] Une telle configuration permet d’optimiser l’entrée d’air dans les orifices de ventilation de refroidissement ainsi que la formation du film de protection sur la surface de la paroi annulaire radialement interne d’une virole de la chambre de combustion. Une telle inclinaison augmente la surface interne de l’orifice permettant un échange thermique avec l’air, ce qui permet d’améliorer le refroidissement.

[029] Avantageusement, l’épaisseur de chacune desdites première et seconde parois annulaires est comprise entre 0,2 et 0,6 mm.

[030] De préférence, le diamètre des orifices est compris entre 0 ,4 et 0, 6 mm et que le diamètre des raidisseurs est compris entre 0,4 et 2 mm.

[031] L’ invention concerne également un procédé de fabrication d’une chambre de combustion où au moins l’une des viroles annulaires interne et externe, comprenant les première et seconde parois reliées par des raidisseurs, est obtenue par fabrication additive métallique.

[032] De cette manière, la virole annulaire formée de la première paroi annulaire, de la seconde paroi annulaire et des raidisseurs peut être réalisée d’une seule pièce.

[033] Les contraintes thermiques constituant environ 90% de l’endommagement sur une paroi de tube à flamme, il en résulte que l’utilisation de la fabrication additive peut permettre la formation de pièces dont les qualités mécaniques seront suffisantes pour résister aux contraintes en fonctionnement. La fabrication additive est donc une alternative crédible à une fabrication standard, par exemple par mécano-soudure des viroles annulaires de la chambre. De plus, l’usage d’un procédé de fabrication additive est plus rapide que les procédés de fabrication standard. Par ailleurs, cette technique permet d’obtenir des épaisseurs de parois et des dimensions de raidisseurs qui sont impossibles à obtenir par une technique standard.

[034] L’ invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES la figure 1, déjà décrite précédemment, est une vue schématique en coupe d’une chambre de combustion de turbomachine selon la technique antérieure ; la figure 2 est une vue schématique en perspective depuis l’aval des première et seconde parois d’une virole annulaire selon l’invention ; la figure 3 est une vue schématique en perspective dans la partie radialement interne depuis l’aval des première et seconde parois d’une virole annulaire selon l’invention ; la figure 4 est une représentation de la répartition des orifices de ventilation et des raidisseurs au niveau de la première paroi selon l’invention ; la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne de coupe l-l au niveau d’une rangée du second type illustrée en figure 4.

DESCRIPTION DETAILLEE

[035] On se réfère maintenant à la figure 2, représentant une virole annulaire 14, 16 destinée à être intégrée à une chambre de combustion 12 représentée en figure 1. La virole annulaire 14, 16 qui est décrite ci-après est indifféremment une virole interne 14 ou externe 16. Dans la suite de la description, il sera uniquement fait référence à la virole annulaire externe 16. Cette virole annulaire externe 16 comprend deux parois 36, 38 annulaires coaxiales dont la première paroi 36 annulaire radialement interne est formée à l’intérieur de la seconde paroi 38 annulaire radialement externe de sorte que la première paroi annulaire est destinée à venir en contact avec la flamme de combustion. Les première et seconde parois 36, 38 annulaires sont reliées l’une à l’autre par des rangées 40 annulaires de raidisseurs 42 ayant chacun la forme d’une tige (figure 4). Dans le cas spécifique représenté aux figures 2 à 5, chaque tige 42 de raidissement a une section constante entre ses deux extrémités radialement opposées et présente une section cylindrique. Les première et seconde parois 36, 38 sont pourvues de rangées 44 annulaires d'orifices de ventilation 34. Les orifices de ventilation 34, constituant une rangée 44 annulaire d’orifices 34, sont uniformément répartis autour d’un axe B de la chambre de combustion 12. Les rangées 44 annulaires d’orifices 34 de la première paroi 36 sont parallèles aux rangées 44 annulaires d’orifices 34 de ventilation de la seconde paroi 38. Par ailleurs, les rangées 44 annulaires d’orifices de ventilation 34 des première et seconde parois 36, 38 sont également parallèles aux rangées 40 annulaires de raidisseurs 42 s’étendant entre les première et seconde parois 36, 38. Les raidisseurs 42 sont disposés suivant une direction donnée, représentée par une flèche 46. Préférentiellement, la direction donnée 46 est la direction longitudinale, de manière à ce que le flux d’air de contournement de la chambre de combustion 12 qui circule par les orifices de ventilation 34 de la seconde paroi 38 viennent intercepter les raidisseurs 42 disposés en aval.

[036] Dans un mode de réalisation particulier, les rangées 40 annulaires de raidisseurs 42 sont agencées longitudinalement en alternance avec les rangées 44 d’annulaires d’orifices de ventilation 34 de la première paroi 36, respectivement la seconde paroi 38, de manière à ce qu’une rangée 40 de raidisseurs 42 s’étende annulairement entre deux rangées 44 annulaires d’orifices de ventilation 34 consécutives de la première paroi 36, respectivement la seconde paroi 38.

[037] Les figures 3 et 4 représentent un mode de réalisation particulier de l’invention, la figure 3 représentant la virole annulaire externe 16 vue depuis l’intérieur. Sur la figure 3, le premier type de rangées 48 longitudinales est représenté par une double flèche en trait plein et le second type de rangées 50 longitudinales est représenté par une double flèche en traits pointillés. Sur la figure 4, le premier type de rangées 48 longitudinales est défini par des motifs circulaires en trait plein et un second type de rangées 50 longitudinales est défini par des motifs circulaires en pointillés. Les premier et second types de rangées 48, 50 longitudinales sont disposés circonférentiellement en alternance sur la totalité de la première paroi 36 de la virole externe 16. Le premier type de rangées 48 longitudinales est défini par une succession longitudinale d’orifices de ventilation 34. Le second type de rangées 50 longitudinales est défini par une succession longitudinale d’orifices de ventilation 34 et de raidisseurs 42 disposés en alternance longitudinalement avec les orifices de ventilation 34. Le même arrangement peut être effectué pour la seconde paroi 38 de la virole annulaire externe 16. Ainsi, en fonctionnement, la face 52 radialement intérieure de la première paroi 36 annulaire est en contact d’un flux d’air chaud, tandis qu’un flux d’air froid circule, de l’amont vers l’aval, entre la première et la seconde parois 36, 38 et à l’extérieur de la seconde paroi 38.

[038] La figure 5 représente une coupe selon la direction l-l de la figure 4. Comme cela est visible, les axes 54 des orifices de ventilation 34 de la seconde paroi 38 interceptent la première paroi 36 longitudinalement entre deux orifices de ventilation 34 de deux rangées 44 annulaires consécutives.

Plus spécifiquement, l’axe 54 de chaque orifice 34 de la seconde paroi 38 intercepte l’extrémité radialement interne du raidisseur 42 immédiatement en aval dudit orifice 34. Ainsi, pour les rangées 44 longitudinales d’orifices de ventilation 34 munies de raidisseurs 42, le flux d’air intercepte les raidisseurs 42 et se scinde en deux générant un écoulement turbulent entre les première et seconde parois 36, 38 de la virole annulaire externe 16. L’écoulement turbulent est représenté par la flèche 56.

[039] Dans une réalisation particulière de l’invention, mieux visible sur les figures 3 à 5, les raidisseurs 42 peuvent avoir un diamètre sensiblement plus grand que les orifices de ventilation 34, ce qui permet de favoriser la formation de turbulences entre la première paroi 36 annulaire et la seconde paroi 38 annulaire.

[040] Egalement, les axes 54 des orifices 34 des première et seconde parois 36, 38 annulaires sont inclinés d’un angle a non nul, par rapport à l’axe de la chambre 12, de préférence compris entre 60° et 80°. Dans cette configuration, les axes 54 des orifices de ventilations 34 sont dépourvus de composante circonférentielle.

[041] Selon l’invention, les première et seconde parois 36, 38 de la virole annulaire externe 16 illustrées en figures 2, 3 et 5 sont réalisées par fabrication additive métallique, sous la forme d’une seule pièce. Un tel procédé de fabrication permet de réaliser des parois annulaires 36, 38 ayant une épaisseur réduite, comprise entre 0,2 et 0,6 mm, contrairement aux parois de la technique antérieure réalisées avec des techniques conventionnelles telles que la mécano-soudure, avec lesquelles les parois ont une épaisseur plus importante et de l’ordre de 1 à 2 mm.

[042] Dans une réalisation de l’invention, les raidisseurs 42 ont un diamètre compris entre 0,4 à 2 mm et les orifices de ventilation 34 ont un diamètre compris entre de 0,4 à 0,6 mm.

[043] Au sein d’une rangée 44 annulaire d’orifices de ventilation 34, les orifices de ventilations 34 peuvent être répartis circonférentiellement tous les 5 mm.

[044] Au sein d’une rangée 40 annulaire de raidisseurs 42, les raidisseurs 42 peuvent être répartis circonférentiellement tous les 10 mm.

[045] Selon un mode de réalisation préférentiel, les matériaux utilisés pour la fabrication additive sont à base de nickel et de cobalt comme le HA188 ou le Hastelloy X).

[046] L’invention est bien évidemment applicable indifféremment à l’une ou l’autre des viroles 14, 16 annulaires interne et externe de la chambre de combustion 12 ou encore à l’une et l’autre des viroles annulaires 14, 16 interne et externe.

Claims

REVENDICATIONS

1. Chambre annulaire de combustion (12) comprenant deux viroles annulaires (14, 16) interne et externe coaxiales reliées à leurs extrémités amont à une paroi (18) annulaire de fond de chambre, au moins l’une de la virole annulaire (14, 16) interne et externe comprenant une première et une seconde parois (36, 38) annulaires coaxiales reliées l’une à l’autre par des raidisseurs (42), lesdites première et seconde parois (36, 38) annulaires comprenant des rangées (44) annulaires d’orifices de ventilation (34) répartis uniformément autour de l’axe de la chambre (A), caractérisée en ce que les raidisseurs (42) sont agencés sous la forme de rangées (40) annulaires disposées longitudinalement en alternance avec les rangées (44) annulaires d’orifices (34) d’au moins l’une de la première et de la seconde des parois (36, 38) annulaires, et en ce que chaque raidisseur (42) est disposé suivant une direction donnée (46) entre deux orifices (34) de deux rangées (44) annulaires longitudinalement consécutives de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires (36, 38).
2. Chambre annulaire de combustion (12) selon la revendication 1, dans laquelle chaque raidisseur (42) est disposé longitudinalement entre deux orifices (34) de deux rangées (44) annulaires consécutives de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires (36, 38).
3. Chambre annulaire de combustion (12) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les raidisseurs (42) sont alignés longitudinalement et disposés en alternance avec des orifices (34) de ladite au moins une des première et seconde parois annulaires (36, 38).
4. Chambre annulaire de combustion (12) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle la première paroi (36) comprend une alternance circonférentielle d’un premier type de rangées (48) longitudinales comportant uniquement des orifices de ventilation (34) et d’un second type de rangées (50) longitudinales comportant des orifices de ventilation (34) disposés axialement en alternance avec des raidisseurs (42).
5. Chambre annulaire de combustion annulaire (12) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle les raidisseurs (42) ont une forme cylindrique dont la section présente un diamètre supérieur à celui des orifices de ventilation (34).
6. Chambre annulaire de combustion (12) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la première paroi annulaire (36) est agencée relativement à la seconde paroi annulaire (38) de manière à être, en fonctionnement, en contact direct avec la flamme de combustion et dans laquelle les axes (54) des orifices de ventilation (34) de la seconde paroi (38) interceptent la première paroi (36) longitudinalement entre deux orifices (34) de deux rangées (44) annulaires consécutives.
7. Chambre annulaire de combustion (12) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle les orifices de ventilation (34) sont répartis circonférentiellement au sein d’une rangée (44) annulaire donnée tous les 5 mm.
8. Chambre annulaire de combustion (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle les raidisseurs 42 sont répartis circonférentiellement, au sein d’une rangée (40) annulaire donnée, tous les 10 mm.
9. Chambre annulaire de combustion (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle l’épaisseur de chacune desdites première et seconde parois (36, 38) annulaires est comprise entre 0,2 et 0,6 mm.
10. Chambre annulaire de combustion (12) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le diamètre des orifices (34) est compris entre 0,4 et 0,6 mm et que le diamètre des raidisseurs (42) est compris entre 0,4 et 2 mm.
11. Procédé de fabrication d’une chambre de combustion (12) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel au moins l’une des viroles annulaires (14, 16) interne et externe, comprenant les première et seconde parois (36, 38) reliées par des raidisseurs (42), est obtenue par fabrication additive métallique, de préférence d’une seule pièce.