FR3128007A1 - Chambre de combustion de turbomachine - Google Patents

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Abstract

Le présent document concerne une chambre annulaire de combustion de turbomachine comprenant : -une paroi annulaire interne (14) et une paroi annulaire externe (16); -un fond de chambre annulaire (17) comportant une pluralité de premières ouvertures (20) de passage de tête d’injecteurs ; -au moins un déflecteur (100) agencé en aval du fond de chambre (17), ledit déflecteur comprenant au moins un plot de fixation (106) comportant une zone fixée audit fond de chambre, dans laquelle ledit plot de fixation (106) comprend un circuit de refroidissement (112) interne traversant au moins une partie dudit plot de fixation (106) et débouchant en amont du fond de chambre annulaire (17). Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 4]

Description

Chambre de combustion de turbomachine
Domaine technique de l’invention
Le présent document concerne une chambre de combustion de turbomachine et plus particulièrement une telle chambre équipée d’une pluralité de déflecteurs thermiques.
Etat de la technique antérieure
Classiquement, une turbomachine d’axe longitudinal A comprend une chambre annulaire de combustion qui reçoit en amont un flux d’air d’un compresseur haute pression et délivre en aval un flux de gaz chauds entrainant les rotors des turbines haute pression et basse pression. Dans le présent document, le terme « amont » (AM) et le terme « aval » (AV) s’entendent relativement à l’écoulement des flux d’air dans la turbomachine.
Comme représentée à la , la chambre annulaire de combustion 10 est entourée d’un carter externe 12 et comprend deux parois annulaires coaxiales interne 14 et externe 16 qui s’étendent l’une à l’intérieur de l’autre et qui sont reliées à leurs extrémités amont par un fond de chambre 17 annulaire. La chambre annulaire de combustion 10 comprend également un carénage annulaire 24 amont fixé sur le fond de chambre 17 annulaire et destiné à orienter le flux d’air en entrée ou en contournement de la chambre de combustion 10.
Ce fond de chambre annulaire 17 comprend une paroi annulaire radiale comportant des premières ouvertures 20 de montage de systèmes d’injection 22 de carburant. Le système d’injection et sa liaison au fond de chambre annulaire sera mieux décrit en référence à la . Chaque système d’injection 22 comprend un injecteur 26 s’étendant suivant un axe longitudinal D, des moyens de mélange d’air avec le carburant 28 et une bague d’accrochage 30. L’injecteur 26 est placé dans une des premières ouvertures 20. Une bague de serrage vient maintenir ladite bague d’accrochage 30 dont l’extrémité radialement externe 32 est apte à coulisser radialement dans un logement annulaire 34 formé à l’extrémité amont d’une pièce à effet venturi 36. Les moyens de mélange d’air avec le carburant 28 comprennent ladite pièce à effet venturi 36 et un bol mélangeur 38. La pièce à effet Venturi 36 et le bol mélangeur 38 peuvent ne former qu’une seule pièce ou être en deux pièces. La pièce à effet Venturi 36 comprend une première vrille annulaire amont 40 et une seconde vrille annulaire aval 42. La première vrille annulaire amont 40 permet d’introduire de l’air à l’intérieur du venturi 36 proprement dit alors que la seconde vrille annulaire aval 42 permet d’introduire de l’air autour de la pièce à effet Venturi 36. L’extrémité aval 44 de la pièce à effet Venturi 36 est relié à l’extrémité amont 46 du bol mélangeur 38. Le bol mélangeur 38 comporte en outre une paroi annulaire tronconique 48 à section augmentant vers l’aval et reliée à son extrémité aval à une collerette 50 s’étendant radialement vers l’extérieur. L’extrémité aval de la paroi tronconique est reliée à une paroi sensiblement cylindrique 52 dont l’extrémité amont est reliée à un rebord radial 54 fixé avec un rebord annulaire radial 56 d’un écran de protection thermique 58, aussi appelé déflecteur, agencé en aval du fond de chambre annulaire 17.
Chaque écran de protection thermique 58 est solidaire annulairement de la périphérie externe du bol mélangeur 38, par rapport à l’axe longitudinal D, et comprend une seconde ouverture alignée avec l’axe d’un injecteur 26 et une des premières ouvertures 20 du fond de chambre. Chaque écran de protection thermique 58 est brasé sur la périphérie 66 d’une des premières ouvertures 20 de la paroi annulaire radiale du fond de chambre annulaire 17.
La chambre de combustion, par sa fonction, est soumise à des températures et à des gradients thermiques très forts, qui peuvent atteindre 1200°C à 2000°C. Pour protéger les parois, une fraction du débit d’air venant du compresseur haute pression est utilisée pour leur refroidissement. Le fond de chambre annulaire 17 comprend, dans le but d’être refroidi, une pluralité de trous 62 sur la paroi annulaire radiale du fond de chambre 64.
Le refroidissement du fond de chambre s’effectue en plusieurs étapes. Le fond de chambre 17 est refroidi par pompage thermique : le passage de l’air 68 au travers de chaque trou 62 va pomper localement de l’énergie pour refroidir le fond de chambre 17. L’air qui traverse les trous 62 du fond de chambre 17 est orienté pour refroidir l’écran de protection thermique 58 par impact d’air, ce qui permet d’augmenter l’efficacité de refroidissement de l’écran de protection thermique 58 en réduisant sa température. L’écoulement de l’air a pour effet de refroidir la face amont 70 de l’écran de protection thermique 58 par convection forcée. Un film de refroidissement est alors généré le long de cette face amont 70. Après avoir impacté l’écran de protection thermique 58, l’air de refroidissement est évacué vers l’aval.
Cependant, deux zones de criques peuvent se former : sur le fond de chambre au niveau des brasures 66 et sur l’écran de protection thermique 58 autour du système d’injection 22. Des fissures peuvent apparaitre également au niveau du fond de chambre annulaire 17. Ces phénomènes résultent d’une concentration de contraintes au niveau des brasures, qui forment des zones d’initiation des criques, et d’un manque de ventilation dans la zone d’attache entre chaque écran de protection thermique 58 et le fond de chambre annulaire 17.
Pour limiter ces phénomènes, le document FR 2009348 décrit des déflecteurs, ou écrans de protection thermique, formés chacun par deux plaques distinctes fixées indépendamment l’une de l’autre au fond de la chambre de combustion par un plot de fixation. Cet agencement permet de se passer de la brasure entre le fond de chambre et l’écran thermique de protection, ce qui simplifie la fixation des écrans de protection thermique et réduit les contraintes thermiques appliquées à chacune des plaques. Néanmoins, il existe un risque d’exposition du plot de fixation à de fortes températures, ce qui entrainerait prématurément son usure voire sa rupture.
Le présent document vise à remédier à ces inconvénients.
Le présent document propose une chambre annulaire de combustion de turbomachine comprenant :
-une paroi annulaire interne et une paroi annulaire externe ;
-un fond de chambre annulaire comportant une pluralité de premières ouvertures de passage de tête d’injecteurs ;
-au moins un déflecteur agencé en aval du fond de chambre, ledit déflecteur comprenant au moins un plot de fixation comportant une zone fixée audit fond de chambre,
dans laquelle ledit plot de fixation comprend un circuit de refroidissement interne traversant au moins une partie dudit plot de fixation et débouchant en amont du fond de chambre annulaire.
Le circuit de refroidissement permet de réduire les contraintes thermomécaniques auxquelles est soumis le plot de fixation et améliore la durée de vie de la chambre de combustion. La création d’une aération dans le plot de fixation améliore la protection thermique et permet de réduire les dommages de la chambre de combustion en vol.
La paroi annulaire interne peut s’étendre à l’intérieur de la paroi annulaire externe. Le fond de chambre annulaire peut relier les extrémités amont de la paroi annulaire interne et de la paroi annulaire externe.
La paroi annulaire externe et la paroi annulaire interne sont définies par rapport à un axe longitudinal de la turbomachine.
Le plot de fixation peut comprendre une extrémité qui s’emboite dans une troisième ouverture prévue dans le fond de chambre. Ladite extrémité peut être engagée dans la troisième ouverture du fond de chambre annulaire et peut être apte à recevoir un organe de serrage pour fixer ledit déflecteur au fond de chambre annulaire.
Chaque déflecteur peut former un écran thermique. Chaque déflecteur peut comporter une seconde ouverture alignée avec une des premières ouvertures du fond de chambre annulaire. Chaque déflecteur peut comporter deux plaques structurellement distinctes et fixées indépendamment l’une de l’autre audit fond de chambre par un desdits plots de fixation. Les plaques formant chaque déflecteur peuvent être identiques. Chaque plaque peut comprendre un premier bord, une partie de bord de la seconde ouverture, un second bord. Le premier bord d’une des plaques peut être agencé avec un jeu j1 à froid en vis-à-vis du premier bord de l’autre plaque. De même, le second bord de ladite plaque peut être agencé avec un jeu j2 à froid en vis-à-vis du second bord de l’autre plaque. Les parties de bord de la seconde ouverture des plaques peuvent délimiter la seconde ouverture du déflecteur.
Ces jeux j1 et j2 peuvent être déterminés pour être annulés à chaud de sorte que le premier bord et le second bord viennent en contact l’un de l’autre afin de réaliser une jonction étanche protégeant le fond de chambre de la flamme de combustion. Chaque plaque dudit déflecteur peut se dilater à la fois verticalement et horizontalement. Les jeux j1 et j2 peuvent être identiques.
Le premier bord et le second bord de la première plaque et/ou le premier bord et le second bord de la seconde plaque peuvent s’étendre suivant une direction générale comprise dans un premier plan incliné en oblique par rapport à un second plan comprenant l’axe longitudinal et passant par le centre de la seconde ouverture de l’écran de protection thermique. Le premier plan peut être incliné d’un angle compris entre 30 et 60° par rapport au second plan, de préférence de l’ordre de 45°.
Chaque plaque peut comprendre un bord circonférentiel et un bord radial reliés aux premier et second bords de ladite plaque, le bord circonférentiel et le bord radial de ladite plaque se rejoignant en un sommet au voisinage duquel est formé le plot de fixation en saillie vers l’amont depuis une face amont de ladite plaque. Chaque plaque peut être équipée d’un seul plot de fixation. Ledit plot de fixation peut être cylindrique par exemple avec une section circulaire.
Selon un mode de réalisation, le plot de fixation de l’une des plaques ou de chaque plaque du déflecteur peut comprendre le circuit de refroidissement.
Le circuit de refroidissement peut comporter au moins un canal longitudinal s’étendant selon un axe longitudinal du plot de fixation. L’axe longitudinal du plot peut être parallèle à l’axe longitudinal de la chambre de combustion. Le canal longitudinal peut comporter une première extrémité débouchant en amont du fond de chambre et une seconde extrémité opposée à la première extrémité.
Le canal longitudinal peut être cylindrique avec une section circulaire, et agencé au centre du plot de fixation.
Par exemple, la seconde extrémité du canal longitudinal du plot de fixation peut déboucher en aval de la plaque comprenant ledit plot de fixation. Alternativement, la seconde extrémité du canal longitudinal du plot de fixation peut déboucher en amont de la plaque comprenant ledit plot de fixation, et en aval du fond de chambre.
Selon un mode de réalisation, le circuit de refroidissement peut comporter au moins un canal transversal s’étendant selon un axe formant un angle avec l’axe longitudinal du plot de fixation. Le canal transversal peut comprendre une première extrémité débouchant dans le canal longitudinal et une seconde extrémité débouchant en aval du fond de chambre.
La première extrémité du canal transversal peut être reliée à la seconde extrémité du canal longitudinal.
La seconde extrémité du canal transversal peut déboucher sur une surface radialement externe du plot de fixation.
La seconde extrémité du canal transversal peut déboucher sur une surface radialement externe de la plaque comprenant ledit plot de fixation. Ainsi, le canal transversal peut traverser une partie de ladite plaque.
Le canal transversal peut s’étendre selon un axe perpendiculaire à l’axe longitudinal du canal longitudinal.
Selon un mode de réalisation, le circuit de refroidissement peut comprendre une pluralité de premiers canaux transversaux distribués circonférentiellement autour du canal longitudinal dans un premier plan transversal.
Le circuit de refroidissement peut comprendre une pluralité de seconds canaux transversaux distribués circonférentiellement autour du canal longitudinal dans un second plan transversal espacé longitudinalement du premier plan transversal.
Le nombre des premiers canaux transversaux peut être différent du nombre des seconds canaux transversaux. Par exemple, les premiers canaux transversaux peuvent être formés par quatre canaux transversaux perpendiculaires entre eux. De même, les seconds canaux transversaux peuvent être formés par quatre canaux transversaux perpendiculaires entre eux.
Selon un autre mode de réalisation, les premiers canaux transversaux peuvent être formés par huit canaux transversaux distribués en étoile, de sorte que ces canaux transversaux soient circonférentiellement équidistants. De façon similaire, les seconds canaux transversaux peuvent être formés par huit canaux transversaux distribués en étoile, de sorte que ces canaux transversaux soient circonférentiellement équidistants.
Bien entendu, les premiers canaux transversaux peuvent être formés par tout autre nombre de canaux transversaux distribués circonférentiellement autour de l’axe longitudinal du plot de fixation de façon équidistante ou non. De même, les seconds canaux transversaux peuvent être formés par tout autre nombre de canaux transversaux distribués circonférentiellement autour de l’axe longitudinal du plot de fixation de façon équidistante ou non.
Selon un mode de réalisation, le déflecteur peut comprendre au moins un disque aplanisseur de jet agencé en aval du déflecteur et en regard d’une ouverture de sortie d’air du canal longitudinal et à distance longitudinalement de ladite sortie d’air du canal longitudinal. Le disque aplanisseur de jet peut être configuré pour diriger l’air en sortie du canal longitudinal selon une direction radiale, en particulier par rapport à l’axe longitudinal du plot de fixation.
Selon un mode de réalisation, le disque aplanisseur de jet peut être configuré pour diriger l’air en sortie du canal longitudinal selon un axe formant un angle non nul avec l’axe longitudinal du plot de fixation.
L’une des plaques ou chaque plaque du déflecteur peut comprendre le disque aplanisseur. Le disque aplanisseur peut être équipé d’au moins une attache s’étendant perpendiculairement au disque et montée dans un logement prévu dans ladite plaque. Ladite attache peut être brasée à ladite plaque.
Le circuit de refroidissement peut comprendre un canal annulaire s’étendant longitudinalement. La seconde extrémité du canal longitudinal peut être reliée audit canal annulaire, par exemple par un ou deux canaux coudés.
Le canal annulaire peut être formé par un évidement annulaire dans le plot de fixation, de sorte que ledit canal annulaire entoure une partie radialement centrale du plot de fixation, par exemple une partie radialement centrale pleine dudit plot de fixation. Ainsi, le flux d’air de refroidissement peut s’écouler proche de la surface radialement externe du plot de fixation, pour venir impacter la face arrière des plaques du déflecteur.
Le canal annulaire peut déboucher en aval de la plaque comprenant le plot de fixation muni dudit circuit de refroidissement.
Le circuit de refroidissement peut comprendre un canal longitudinal de sortie d’air relié au canal annulaire et débouchant en aval de la plaque comprenant le plot de fixation muni dudit circuit de refroidissement. Le disque aplanisseur de jet peut être agencé en regard du débouché du canal longitudinal de sortie d’air.
Le circuit de refroidissement peut comprendre un canal transversal relié au canal annulaire et débouchant en aval du fond de chambre. En particulier, ledit canal transversal peut traverser une partie de la plaque comprenant le plot de fixation muni dudit circuit de refroidissement.
La chambre de combustion peut comprendre un bol mélangeur monté dans chacune des premières ouvertures et relié au fond de chambre. Le bol mélangeur peut être monté avec un degré de liberté longitudinal et radial sur le fond de chambre. Plus particulièrement, le bol mélangeur peut être solidaire d’un moyen de mélange d’air avec le carburant, ces moyens de mélange étant formés à l’amont du bol. Le degré de liberté ainsi formé autorise les dilatations thermiques différentielles entre le bol mélangeur et le fond de chambre.
Le bol mélangeur peut être monté avec un degré de liberté radial dans une gorge annulaire du fond de chambre. Cette gorge annulaire peut être orientée radialement vers l’intérieur et recevoir un rebord annulaire radial du bol mélangeur.
Le pourtour de chacune des premières ouvertures du fond de chambre peut comprendre des orifices débouchant en regard du déflecteur, de sorte que de l’air peut circuler depuis l’amont du fond de chambre et impacter les plaques du déflecteur.
Le présent document concerne encore une turbomachine d’aéronef, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, comprenant une chambre annulaire de combustion telle que précitée.
Brève description des figures
déjà décrite, est une vue en coupe d’une chambre de combustion ;
est une vue en coupe d’un système d’injection d’air et de carburant ;
est une vue de face d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section d’un premier exemple d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section d’un second exemple d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section d’un troisième exemple d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section d’un quatrième exemple d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue partielle de face du troisième exemple de déflecteur équipé par un disque aplanisseur de jet ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue partielle de face du quatrième exemple de déflecteur équipé par un disque aplanisseur de jet ;
représente une vue de côté et une vue en perspective du disque aplanisseur de jet équipant le déflecteur de la ou de la .
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section d’un cinquième exemple d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section d’un sixième exemple d’un déflecteur selon le présent document ;
représente une vue en coupe longitudinale et une vue d’une section du sixième exemple de déflecteur équipé par un disque aplanisseur de jet de la .

Claims (10)

  1. Chambre annulaire de combustion de turbomachine comprenant :
    -une paroi annulaire interne (14) et une paroi annulaire externe (16);
    -un fond de chambre annulaire (17) comportant une pluralité de premières ouvertures (20) de passage de tête d’injecteurs ;
    -au moins un déflecteur (100) agencé en aval du fond de chambre (17), ledit déflecteur comprenant au moins un plot de fixation (106) comportant une zone fixée audit fond de chambre,
    dans laquelle ledit plot de fixation (106) comprend un circuit de refroidissement (112,212,312,412,512,612) interne traversant au moins une partie dudit plot de fixation (106) et débouchant en amont du fond de chambre annulaire (17).
  2. Chambre selon la revendication 1, dans laquelle chaque déflecteur (100) comporte une seconde ouverture (110) alignée avec une des premières ouvertures (20) du fond de chambre annulaire (17), et dans laquelle chaque déflecteur comporte deux plaques (102) structurellement distinctes et fixées indépendamment l’une de l’autre audit fond de chambre (17) par un desdits plots de fixation (106).
  3. Chambre selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le circuit de refroidissement (112,212,312,412,512,612) comporte au moins un canal longitudinal (116,140) s’étendant selon un axe longitudinal du plot de fixation (106), ledit canal longitudinal comportant une première extrémité (118) débouchant en amont du fond de chambre (17) et une seconde extrémité opposée à la première extrémité.
  4. Chambre selon la revendication 2 et 3, dans laquelle la seconde extrémité du canal longitudinal (116,140) du plot de fixation (106) débouche en aval de la plaque (102) comprenant ledit plot de fixation (106).
  5. Chambre selon l’une des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 3, dans laquelle le circuit de refroidissement (112,212,412,512) comporte au moins un canal transversal (120) s’étendant selon un axe formant un angle avec l’axe longitudinal du plot de fixation (106), le canal transversal (120) comprenant une première extrémité débouchant dans le canal longitudinal (116) et une seconde extrémité débouchant en aval du fond de chambre (17).
  6. Chambre selon la revendication 5 et 2, dans laquelle la seconde extrémité du canal transversal (120) débouche sur une surface radialement externe du plot de fixation (106) ou sur une surface radialement externe de la plaque (102) comprenant ledit plot de fixation (106).
  7. Chambre selon l’une des revendications 5 à 6, dans laquelle le circuit de refroidissement (212,412) comprend une pluralité de premiers canaux transversaux (1201) distribués circonférentiellement autour du canal longitudinal dans un premier plan transversal (P1) et une pluralité de seconds canaux transversaux (1202) distribués circonférentiellement autour du canal longitudinal dans un second plan transversal (P2) espacé longitudinalement du premier plan transversal.
  8. Chambre selon l’une des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 3, dans laquelle le déflecteur (100) comprend au moins un disque aplanisseur de jet (124) agencé en aval du déflecteur (100) et agencé en regard d’une ouverture de sortie d’air du canal longitudinal (116,140) et à distance longitudinalement de ladite sortie d’air du canal longitudinal, le disque aplanisseur de jet (124) étant configuré pour diriger l’air en sortie du canal longitudinal selon une direction radiale.
  9. Chambre selon l’une des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 3, dans laquelle le circuit de refroidissement (512,612) comprend un canal annulaire (130) s’étendant longitudinalement, la seconde extrémité du canal longitudinal (116) étant reliée audit canal annulaire (130).
  10. Turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, comprenant une chambre annulaire de combustion selon l’une des revendications précédentes.
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