FR3113302A1 - Chambre de combustion pour une turbomachine - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une turbomachine comprenant une chambre annulaire de combustion (10) délimitée par deux parois de révolution coaxiales, respectivement interne et externe (16), reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi de fond de chambre (18), des systèmes d’injection de carburant (32) traversant des première ouvertures de la paroi de fond de chambre (18) et débouchant dans la chambre, et au moins une bougie d'allumage (44), caractérisée en ce que la bougie d’allumage (44) traverse une seconde ouverture (46) de la paroi de fond de chambre (18) et est apte à générer une étincelle d’allumage à proximité de ladite paroi de fond de chambre (18), dans une zone située circonférentiellement entre deux systèmes d’injection (32). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne une chambre de combustion pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Ladite chambre de combustion est annulaire et est équipée d'au moins une bougie d'allumage et de systèmes d'injection de carburant à l'intérieur de la chambre de combustion.
Etat de la technique antérieure
Une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comporte classiquement, de l’amont vers l’aval dans le sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, une turbine basse pression et une tuyère d’échappement des gaz.
La figure 1 illustre une chambre de combustion annulaire 10 de l’art antérieur, agencée en sortie d'un diffuseur 12 annulaire, lui-même situé en sortie d'un compresseur (non représenté).
La chambre 10 comprend une paroi de révolution interne 14 et une paroi de révolution externe 16 reliées en amont à une paroi annulaire 18 de fond de chambre et fixées en aval par des brides annulaires interne 20 et externe 22 respectivement sur un voile tronconique interne 24 du diffuseur 12, et sur une extrémité aval d'un carter externe 26 de la chambre, l'extrémité amont de ce carter 26 étant fixée sur un voile tronconique externe 28 du diffuseur 12.
La paroi 18 de fond de chambre comporte des ouvertures 30 permettant le montage de systèmes 32 d’injection d’un mélange d’air et de carburant dans la chambre 10, l'air provenant du diffuseur 12 et le carburant étant amené par des injecteurs 34.
Les injecteurs de carburant 34 sont fixés à leurs extrémités radialement externes sur le carter externe 26 et régulièrement répartis sur une circonférence autour de l'axe de révolution de la chambre. Chaque injecteur 34 comprend à son extrémité radialement interne une tête 36 d'injection de carburant qui est alignée avec l'axe 38 d'une ouverture 30 correspondante de la paroi 18 de la chambre.
Chaque tête d'injection 36 comporte une buse d'atomisation (non visible) pour pulvériser un cône de carburant dans la chambre 10, le long de l'axe 38, ce carburant étant destiné à se mélanger à l'air provenant du compresseur, comme cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit. Un capot annulaire 40 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 et 18 de la chambre et comprend des orifices 42 de passage d'air alignés avec les ouvertures 30 de la paroi 18 de fond de chambre.
Le mélange d'air et de carburant injecté dans la chambre 10 est enflammé au moyen d'au moins une bougie d'allumage 44 qui s'étend radialement à l'extérieur de la chambre 10. Cette bougie 44 s'étend dans un orifice 46 de la paroi externe 16 de la chambre, et son extrémité radialement externe est fixée par des moyens appropriés au carter externe 26 et reliée à des moyens d'alimentation électrique (non représentés) situés à l'extérieur du carter 26.
Chaque bougie 44 permet d’enflammer la nappe de mélange de carburant et d’air produite par le système d’injection 32 en regard duquel la bougie 44 est montée, la flamme se propageant ensuite aux nappes voisines produites par les autres systèmes d'injection 32.
Chaque système d'injection 32, mieux visible en figure 2, comporte deux vrilles de turbulence amont 48 et aval 50 coaxiales, reliées en amont à des moyens 52 de centrage et de guidage de la tête 36 de l'injecteur, et en aval à un bol mélangeur 54 qui est monté axialement dans l'ouverture 30 de la paroi 18 de fond de chambre. Les vrilles 48, 50 comprennent chacune une pluralité d'aubages s'étendant radialement autour de l'axe de la vrille et régulièrement répartis autour de cet axe pour délivrer un flux d'air tourbillonnant en aval de la tête d'injection 36.
Les vrilles 48, 50 sont séparées l'une de l'autre par une paroi radiale reliée à son extrémité radialement interne à un venturi 49 qui s'étend axialement vers l'aval à l'intérieur de la vrille aval 50 et qui sépare les écoulements d'air issus des vrilles amont 48 et aval 50. Une première veine annulaire d'écoulement d'air est formée à l'intérieur du venturi 49 et une seconde veine annulaire d'écoulement d'air est formée à l'extérieur du venturi 49.
Le bol mélangeur 54 a une paroi sensiblement tronconique 56 évasée en aval et reliée à son extrémité aval à un rebord cylindrique 58 monté axialement dans l'ouverture 30 de la paroi 18 de fond de chambre avec un déflecteur annulaire 60. L'extrémité amont de la paroi tronconique 56 du bol est fixée par une pièce annulaire intermédiaire 62 à la vrille aval 50. La paroi tronconique 56 du bol comporte une rangée annulaire d'orifices 64 d'injection d'air. L'air passant par ces orifices 64 et l'air s'écoulant dans les veines à l'intérieur et à l'extérieur du venturi 49 se mélangent au cône de carburant pulvérisé par l'injecteur 34 pour former une nappe 66 de carburant pulvérisé, ayant une forme sensiblement conique ou tronconique s'élargissant vers l'aval.
L'axe de la bougie d'allumage 44 s'étend dans un plan passant par l'axe longitudinal de la chambre 10 et par un des systèmes d'injection 32, ce plan étant le plan des dessins des figures 1 et 2. La bougie 44 est située au voisinage de l'extrémité aval de la nappe 66 produite par ce système pour initier la combustion de cette nappe 66 qui entraîne à son tour la combustion des nappes produites par les systèmes d'injection 32 adjacents.
Les parois interne 14 et externe 16 de la chambre 10 comportent par ailleurs des orifices d'entrée d'air primaire et des orifices d'entrée d'air de dilution. Chaque paroi 14, 16 de la chambre 10 peut ainsi comporter une rangée annulaire d'orifices d'entrée d'air primaire et une ou plusieurs rangées annulaires d'orifices d'entrée d'air de dilution, la rangée d'orifices d'entrée d'air primaire étant située en amont de la rangée d'orifices d'entrée d'air de dilution. L'air amené par les orifices d'entrée d'air primaire a pour but d'empêcher les zones de recirculation dans la chambre et d'alimenter en air la chambre pour assurer une combustion stœchiométrique du carburant, et l'air qui passe par les orifices d'entrée d'air de dilution de la chambre permet de contrôler le profil de température dans la chambre en diminuant la température des gaz de combustion jusqu'à une température acceptable par la turbine de la turbomachine, montée en aval de la chambre 10.
En altitude, les basses pressions, les faibles températures et les variations de la viscosité du carburant, ont pour effet de gêner le rallumage de la chambre en vol.
Une solution connue à ce problème consiste à dévier radialement vers l'extérieur la nappe produite par le système d'injection situé au plus près de la bougie, de façon à rapprocher cette nappe de la bougie d'allumage et ainsi favoriser le rallumage de la chambre en vol. Cependant, le fait de rapprocher cette nappe trop proche de la bougie peut générer des niveaux de turbulence trop importants devenant néfastes pour la survie d’un noyau d’allumage.
Présentation de l’invention
L’invention vise à améliorer le comportement de la chambre de combustion dans le cas d’un rallumage ou d’un allumage dans des conditions de pression et de température défavorables.
A cet effet l’invention concerne une chambre de combustion pour une turbomachine, ladite chambre de combustion étant délimitée par deux parois de révolution coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi de fond de chambre, des systèmes d’injection de carburant traversant des première ouvertures de la paroi de fond de chambre et débouchant dans la chambre, et au moins une bougie d'allumage, caractérisée en ce que la bougie d’allumage traverse une seconde ouverture de la paroi de fond de chambre et est apte à générer une étincelle d’allumage à proximité de ladite paroi de fond de chambre, dans une zone située circonférentiellement entre deux systèmes d’injection.
Les termes axial, radial et circonférentiel sont définis par rapport à l’axe de la chambre de combustion annulaire, qui est confondu avec l’axe de la turbomachine.
L’allumage est ainsi réalisé dans une zone située à proximité du fond de chambre, cette zone étant plus propice à la formation d’un noyau de flamme apte à se propager circonférentiellement d’un système d’injection à l’autre dans la chambre de combustion. En effet, il a été constaté qu’une telle zone d’allumage offre des niveaux de turbulence réduits, les vitesses de flamme turbulente étant tout de même suffisantes pour permettre un développement rapide du noyau de flamme. En outre, une telle zone est particulièrement propice au claquage de la bougie, c’est-à-dire à la formation d’une étincelle à l’aide de la bougie, avec une présence quasi constante de gaz frais inflammables.
Le nombre de bougie peut être égal à 1 ou 2.
Le centre de la seconde ouverture peut être situé radialement à l’extérieur par rapport aux centres des premières ouvertures adjacentes.
De cette manière, la bougie se situe dans la zone de recirculation externe.
Le centre de la première ouverture peut être situé à une distance d de la périphérie radialement interne de la paroi de fond, comprise entre 30 et 70 % de la distance D entre la périphérie radialement interne et la périphérie radialement externe de la paroi de fond.
Le centre de la seconde ouverture peut être situé à équidistance de chacune des deux premières ouvertures adjacentes, dans la direction circonférentielle.
En d’autres termes, la bougie est située circonférentiellement au milieu des deux systèmes d’injection adjacents.
La chambre de combustion peut comporter un capot s’étendant en amont de la paroi de fond et reliant les extrémités amont des parois interne et externe de la chambre, le capot comportant des orifices permettant le passage d’un flux d’air et d’injecteurs des systèmes d’injection, le flux d’air étant destiné à être mélangé au carburant issu des injecteurs.
Chaque bougie peut comporter une partie s’étendant radialement montée dans un carter annulaire externe entourant la chambre de combustion, et une partie d’extrémité coudée traversant la seconde ouverture de la chambre.
La partie d’extrémité de la bougie peut être montée dans un guide bougie comportant une collerette annulaire engagée avec jeu dans une gorge d’une cheminée fixée à la paroi de fond et entourant la seconde ouverture de ladite paroi de fond.
Un déflecteur annulaire peut être monté en aval de la paroi de chambre, ledit déflecteur comportant des ouvertures de passage des systèmes d’injection et de la bougie, l’extrémité de la bougie affleurant la surface du déflecteur tournée vers le volume interne de la chambre.
Le déflecteur annulaire peut être sectorisé. Un tel déflecteur a pour fonction de protéger la paroi de fond de chambre des contraintes thermiques importantes.
L’invention concerne également une turbomachine comportant une chambre de combustion du type précité.
L’invention concerne également un aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte une turbomachine du type précité.
L’aéronef peut être un avion.
Brève description des figures
Description détaillée de l’invention
Les figures 3 à 7 illustrent une chambre de combustion 10 selon une forme de réalisation de l’invention. Celle-ci comporte une paroi de révolution interne 14 et une paroi de révolution externe 16 reliées en amont à une paroi annulaire 18 de fond de chambre.
La paroi 18 de fond de chambre comporte des ouvertures 30 permettant le montage de systèmes 32 d’injection d’un mélange d’air et de carburant dans la chambre 10, l'air provenant du diffuseur 12 et le carburant étant amené par des injecteurs 34 appartenant aux systèmes d’injection 32. Les injecteurs 34 ne sont pas représentés sur les figures 3 à 7, mais présentent une structure similaire à celle décrite en référence aux figures 1 et 2.
Les injecteurs de carburant 34 sont fixés à leurs extrémités radialement externes sur un carter externe 26 et sont régulièrement répartis sur la circonférence autour de l'axe de révolution de la chambre 10. Chaque injecteur 34 comprend à son extrémité radialement interne une tête 36 d'injection de carburant qui est alignée avec l'axe 38 d'une ouverture 30 correspondante de la paroi 18 de la chambre.
Chaque tête d'injection 36 comporte une buse d'atomisation pour pulvériser un cône de carburant dans la chambre, ce carburant étant destiné à se mélanger à l'air provenant du compresseur de la turbomachine.
Un capot annulaire 40 est fixé sur les extrémités amont des parois 14, 16 et 18 de la chambre 10 et comprend des orifices 42 de passage d'air alignés avec les ouvertures 30 de la paroi 18 de fond de chambre. Les orifices 42 présentent une forme générale allongée dans la direction circonférentielle. Chaque orifice 42 comporte également une zone circonférentiellement médiane 43, de plus grande dimension radiale.
Le mélange d'air et de carburant injecté dans la chambre 10 est enflammé au moyen d'au moins une bougie d'allumage 44. Cette bougie 44 s'étend dans un orifice 45 du capot 40, distinct de l’orifice 42 correspondant, et dans une ouverture 46 ménagée dans la paroi de fond 18. La bougie 44 comporte une partie 44a s’étendant radialement et dont l’extrémité radialement externe est fixée par des moyens appropriés au carter externe 26 et reliée à des moyens d'alimentation électrique situés à l'extérieur du carter 26. La bougie 44 comporte en outre une extrémité 44b coudée traversant l’ouverture 46 de la paroi de fond 18.
Chaque bougie 44 permet d’enflammer la nappe de mélange de carburant et d’air produite par les systèmes d’injection 32 situés à proximité de la bougie 44, la flamme se propageant ensuite aux nappes voisines produites par les autres systèmes d'injection 32.
Chaque système d'injection 32 est similaire à celui décrit précédemment en référence à la figure 2.
Le centre de l’ouverture 46 peut être situé radialement à l’extérieur par rapport aux centres des ouvertures adjacentes 30.
Par ailleurs, le centre de chaque ouverture 30 est situé à une distance d de la périphérie radialement interne de la paroi de fond 18 comprise entre 30 et 70% par exemple de la distance D entre la périphérie radialement interne et la périphérie radialement externe de la paroi de fond 18.
Comme illustré à la figure 7, l’ouverture 46 est entourée par une cheminée 68. Ladite cheminée 68 comporte une extrémité aval fixée en périphérie de l’ouverture 46 et une extrémité amont délimitant une gorge annulaire 70. Un guide bougie 72 est montée avec jeu dans la cheminée 68. En particulier, le guide bougie 72 comporte une partie amont 74 tronconique destiné à faciliter l’insertion de l’extrémité correspondante de la bougie 44b dans le guide bougie 72, et une extrémité aval formant une collerette annulaire radiale 76. Ladite collerette 76 est engagée avec un jeu radial dans la gorge 70 de la cheminée 68 de manière à permettre un léger déplacement de l’axe de l’extrémité 44b de la bougie 44 par rapport à l’axe de l’ouverture 46.
Le guide bougie 72 ou la cheminée 68 peuvent comporter des orifices 78 permettant d’amener de l’air de refroidissement en regard de l’extrémité 80 de la bougie 44.
Un déflecteur annulaire 60 est monté en aval de la paroi de fond 18, ledit déflecteur 60 comportant des ouvertures 82, 84 de passage des systèmes d’injection 32 et de la bougie 44, l’extrémité 80 de la bougie 44 affleurant la surface du déflecteur 60 tournée vers le volume interne de la chambre 10.
Le déflecteur annulaire 60 est sectorisé et a pour fonction de protéger la paroi de fond de chambre 18 des contraintes thermiques au sein de ladite chambre 10.
Les parois interne 14 et externe 16 de la chambre 10 comportent par ailleurs des orifices d'entrée d'air primaire 86 et des orifices d'entrée d'air de dilution 88. Chaque paroi 14, 16 de la chambre 10 peut ainsi comporter une rangée annulaire d'orifices d'entrée d'air primaire 86 et une ou plusieurs rangées annulaires d'orifices d'entrée d'air de dilution 88, la rangée d'orifices d'entrée d'air primaire 86 étant située en amont de la rangée d'orifices d'entrée d'air de dilution 88.
L’allumage dans le chambre de combustion 10 selon l’invention est réalisé dans une zone située à proximité de la paroi de fond de chambre 18 et en partie radialement externe du volume interne de la chambre 10, cette zone étant plus propice à la formation d’un noyau de flamme apte à se propager circonférentiellement d’un système d’injection 32 à l’autre dans la chambre de combustion 10.
Claims (10)
- Chambre annulaire de combustion (10) pour une turbomachine, ladite chambre étant délimitée par deux parois de révolution coaxiales (14, 16), respectivement interne et externe, reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi de fond de chambre (18), des systèmes d’injection de carburant (32) traversant des première ouvertures (30) de la paroi de fond de chambre (18) et débouchant dans la chambre, et au moins une bougie d'allumage (44), caractérisée en ce que la bougie d’allumage (44) traverse une seconde ouverture (46) de la paroi de fond de chambre (18) et est apte à générer une étincelle d’allumage à proximité de ladite paroi de fond de chambre (18), dans une zone située circonférentiellement entre deux systèmes d’injection (32).
- Chambre de combustion selon la revendication 1, dans laquelle le centre de la seconde ouverture (46) est situé radialement à l’extérieur par rapport aux centres des premières ouvertures adjacentes (30).
- Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le centre de la première ouverture (30) est situé à une distance de la périphérie radialement interne de la paroi de fond (18), comprise entre 30 et 70 % de la distance D entre la périphérie radialement interne et la périphérie radialement externe de la paroi de fond (18).
- Chambre de combustion selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le centre de la seconde ouverture (46) est situé à équidistance de chacune des deux premières ouvertures (30) adjacentes, dans la direction circonférentielle.
- Chambre de combustion selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la chambre de combustion (10) comporte un capot (40) s’étendant en amont de la paroi de fond (18) et reliant les extrémités amont des parois interne (14) et externe (16) de la chambre (10), le capot (40) comportant des orifices (42) permettant le passage d’un flux d’air et d’injecteurs (44) des systèmes d’injection (32), le flux d’air étant destiné à être mélangé au carburant issu des injecteurs (44).
- Chambre de combustion selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle chaque bougie (44) comporte une partie (44a) s’étendant radialement montée dans un carter annulaire externe (26) entourant la chambre de combustion (10), et une partie d’extrémité (44b) coudée traversant la seconde ouverture (46) de la chambre (10).
- Chambre de combustion selon la revendication 6, dans laquelle la partie d’extrémité (44b) de la bougie (44) est montée dans un guide bougie (72) comportant une collerette annulaire (76) engagée avec jeu dans une gorge (70) d’une cheminée (68) fixée à la paroi de fond (18) et entourant la seconde ouverture (46) de ladite paroi de fond (18).
- Chambre de combustion selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle un déflecteur annulaire (60) est monté en aval de la paroi de chambre (18), ledit déflecteur (60) comportant des ouvertures (82, 84) de passage des systèmes d’injection (32) et de la bougie (44), l’extrémité (80) de la bougie (44) affleurant la surface du déflecteur (60) tournée vers le volume interne de la chambre (10).
- Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comporte une chambre de combustion selon l’une des revendications 1 à 8.
- Aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte une turbomachine selon la revendication 9.
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| FR2008342A FR3113302B1 (fr) | 2020-08-06 | 2020-08-06 | Chambre de combustion pour une turbomachine |
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| FR3113302B1 FR3113302B1 (fr) | 2022-12-09 |
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| FR (1) | FR3113302B1 (fr) |
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| EP1475569A1 (fr) * | 2003-05-08 | 2004-11-10 | General Electric Company | Chambre de combustion à combustion étagée par secteurs |
| EP1482247A1 (fr) * | 2003-05-29 | 2004-12-01 | General Electric Company | Déflecteur pour dome comprenant une pluralité d'ouvertures |
| JP2005265232A (ja) * | 2004-03-17 | 2005-09-29 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | ガスタービン燃焼器 |
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2020
- 2020-08-06 FR FR2008342A patent/FR3113302B1/fr active Active
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|---|---|
| FR3113302B1 (fr) | 2022-12-09 |
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