WO2009144408A2 - Chambre de combustion annulaire de moteur a turbine a gaz - Google Patents
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- WO2009144408A2 WO2009144408A2 PCT/FR2009/000474 FR2009000474W WO2009144408A2 WO 2009144408 A2 WO2009144408 A2 WO 2009144408A2 FR 2009000474 W FR2009000474 W FR 2009000474W WO 2009144408 A2 WO2009144408 A2 WO 2009144408A2
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
Definitions
- FIG. 1 in the accompanying drawings shows, in longitudinal half-section, a conventional combustion chamber 110.
- the other half of the chamber 110 is deduced by symmetry with respect to the axis of the motor (not shown).
- the combustion chamber 110 is housed downstream of a diffusion chamber 130 which is an annular space defined between an outer casing 132 and an inner casing 134, into which is introduced an oxidant, ambient air, compressed originating upstream of a compressor (not shown) via an annular diffusion duct 136.
- a diffusion chamber 130 which is an annular space defined between an outer casing 132 and an inner casing 134, into which is introduced an oxidant, ambient air, compressed originating upstream of a compressor (not shown) via an annular diffusion duct 136.
- upstream and downstream refer to the direction of flow of the gases in the engine.
- This combustion chamber 110 comprises two concentric walls: one 112 radially outer (relatively to the axis of the engine) and the other radially inner 114, which are coaxial and substantially conical to make the connection between the compressor stream and the turbine vein.
- the outer 112 and inner 114 walls are interconnected at the upstream end of the combustion chamber by a chamber bottom 116.
- the chamber 110 is in this example of divergent type, namely that the axis 200 of the combustion chamber is diverging by an angle ⁇ with respect to an axis 100 parallel to the axis of the motor.
- the chamber bottom 116 is a frustoconical annular piece, which extends between two transverse planes flaring from downstream to upstream.
- the chamber bottom 116 is connected to each of the two outer walls 112 and internal 114 of the combustion chamber 110 and has a small conicity.
- the chamber bottom 116 is provided with a plurality of openings angularly distributed around the motor axis and which each receive a fuel injection system 118 premixed with combustion air through which passes an injector 120 which introduces fuel in the upstream portion of the combustion chamber 110 where the combustion reactions take place.
- deflectors 122 are interposed between the hearth and the walls of the chamber bottom 116.
- each deflector 122 has the general shape of a substantially flat plate made of refractory material and soldered to the chamber bottom 116. It has two lateral edges forming walls 122b and 122c facing towards the wall of the chamber bottom 116, a radially outer edge 122f, a radially inner edge 122e and a central opening 122a for the passage of the injector 120.
- the central opening 122a is aligned with one of the receiving openings of an injection system 118 in the chamber bottom 116.
- the radially inner 122e and outer 122f edges of the deflector 122 form two nibs or guide tabs curved towards the hearth and providing a gap with the inner 114 and outer 112 walls of the chamber 110.
- the deflector 122 is cooled by the impact of cooling air jets, symbolized by arrows in FIG. 3, penetrating into the combustion chamber 110 through bores 124 formed in the chamber bottom 116.
- the air forming these jets, flowing from upstream to downstream, is guided by chamber shrouds 126, passes through the chamber bottom 116 through the cooling holes 124, and impacts the upstream face of the baffles. 122.
- the air is then guided radially inwardly and outwardly of the furnace to initiate the formation of a cooling film of the internal 114 and outer 112 walls of the chamber 110.
- This guidance along the deflectors 122 is first provided by the side walls 122b, 122c oriented radially. These walls 122b, 122c also have a sealing function. By being in contact or by ensuring a minimum clearance with the chamber bottom 116, they prevent air from coming in between two adjacent deflectors 122, enter the fire and disturb the combustion.
- hot spots are distributed evenly over the circumference of the inner walls 114 and / or outer 112 of the chamber 110, in particular in radial planes containing the axes of the injectors 120.
- the present invention aims to prevent the formation of these hot spots by providing an annular combustion chamber gas turbine engine that optimizes the guiding of the cooling air sheets on the radially inner and outer walls of the chamber.
- the invention proposes an annular combustion chamber of a gas turbine engine, comprising a radially inner wall and a radially outer wall, connected by a wall forming a bottom of the combustion chamber, this chamber bottom being provided with openings each for receiving a fuel injection system, thermal protection baffles being fixed on said chamber bottom, each baffle having the general shape of a plate having a central opening, a radially outer edge and a radially inner edge, bores being formed in the chamber bottom to ensure a cooling air passage on an upstream face of each baffle , characterized in that at least one of the radially outer and inner edges of a deflector has a sealing wall with the corresponding radially external or internal wall respectively of the combustion chamber.
- the needle wall all cooling air delivered through the bores of the chamber bottom to the radially outer wall (or internal respectively) of the combustion chamber.
- the sealing wall has a flow slot arranged in such a way as to guide a flow of air through a predetermined radial plane. cooling on the corresponding radially inner (or outer) wall of the chamber.
- the determined radial plane may advantageously contain the general axis of the corresponding injection system and the flow hole be formed in the center of the sealing wall.
- the invention promotes the flow of cooling air on the outer wall and / or internal combustion chamber at the axes of the injectors, which prevents the formation of hot spots in these areas.
- this solution would be applicable at any point in the circumference of the outer and inner walls of the combustion chamber, and not only at the axes of the injectors.
- the radially inner or outer edge of the deflector may have the shape of a curved guide spoiler (or tongue) on the periphery of which said sealing wall is made.
- the invention also relates to a gas turbine engine having a combustion chamber as defined above.
- FIG. 1 (already described) represents an axial half-section of a known combustion chamber of divergent type
- Figure 2 (already described) is a perspective view of a deflector of the prior art used for thermal protection of the wall of the combustion chamber bottom
- FIG. 3 (already described) represents a detail of FIG.
- Figure 4 is a view of a chamber floor similar to Figure 1 and shows a first embodiment of the invention
- Figure 5 is a view similar to Figure 3 and shows a detail of Figure 4
- - Figure 6 is a view similar to Figure 5 and shows a second embodiment of the invention
- Figure 7 is a front view of a deflector according to a third embodiment of the invention.
- the combustion chamber according to the present invention comprises a radially inner wall 14 and a wall radially outer 12, both connected by a frustoconical wall which forms a bottom 16 of the combustion chamber 10.
- the chamber bottom 16 is provided with a plurality of openings each receiving a fuel injection system 18.
- Thermal protection deflectors 22 are fixed on the chamber bottom 16.
- Each deflector 22 is generally in the form of a plate having a radially outer edge 22f, a radially inner edge 22e and a central opening 22a which is aligned with one of the openings receiving the injection system 18 in the chamber bottom 16. Bores 24 formed in the chamber bottom 16 ensure a passage of cooling air on an upstream face of each deflector 22.
- the radially outer edge of the deflector 22 forms a wall 23f for sealing between the deflector 22 and the radially outer wall 12. the combustion chamber.
- the radially inner edge 22e of the deflector 22 remains in accordance with the prior art, namely that it provides a gap with the inner wall 14 of the chamber 10 and forms a spoiler or a curved guide tongue towards the combustion chamber in a manner that to initiate the formation of a cooling air film of the inner wall 14.
- the presence of the wall 23f sealing with the outer wall 12 causes a referral of all cooling air delivered through the holes 24 to the radially inner wall 14 of the combustion chamber.
- Figure 6 illustrates an alternative embodiment of the wall 23f sealing with the radially outer wall 12 of the combustion chamber.
- the radially outer edge 22f has the shape of a conventional curved guide spoiler connected to the wall 23f.
- the radially outer edge of the deflector 22 comprises a wall 23f or 23f that is to say that this wall does not extend over the entire length of the wall.
- the flow of cooling air channeled in this region of the wall 12 by the flow-through 21f makes it possible to avoid the formation of hot spots.
- the light 21f can extend over a substantial part of the length of the wall 23f, for example over 30% to 70% of this length.
- the radially inner edge of the deflector 22 could likewise have a similar partial wall of leaktightness in order to guide the cooling air along a particular axis and to avoid the formation of hot spots on the inside wall 14 of the chamber.
Abstract
La chambre comprend des parois radialement interne (14) et radialement externe (12) reliées par un fond de chambre pourvu d'ouvertures recevant chacune un système d'injection (18) de carburant. Des déflecteurs (22) de protection thermique sont fixés sur le fond de chambre (16). Des perçages (24) ménagés dans le fond de chambre assurent un passage d'air de refroidissement sur une face amont de chaque déflecteur (22). Le bord interne ou externe d'un déflecteur (22) présente un muret (23f) d'étanchéité avec la paroi interne ou externe respectivement de la chambre.
Description
Chambre de combustion annulaire de moteur à turbine à gaz
La présente invention concerne une chambre de combustion annulaire pour moteur à turbine à gaz tel qu'un turboréacteur. La figure 1 dans les dessins annexés représente, en demi-coupe longitudinale, une chambre de combustion 110 conventionnelle. L'autre moitié de la chambre 110 se déduit par symétrie par rapport à l'axe du moteur (non représenté).
La chambre de combustion 110 est logée en aval d'une chambre de diffusion 130 qui est un espace annulaire défini entre un carter externe 132 et un carter interne 134, dans lequel est introduit un comburant, air ambiant, comprimé provenant en amont d'un compresseur (non représenté) par l'intermédiaire d'un conduit annulaire de diffusion 136.
Dans ce texte, les termes « amont » et « aval » s'entendent relativement au sens d'écoulement des gaz dans le moteur.
Cette chambre de combustion 110 comporte deux parois concentriques : l'une 112 radialement externe (relativement à l'axe du moteur) et l'autre radialement interne 114, qui sont coaxiales et sensiblement coniques pour faire la liaison entre la veine de compresseur et la veine de turbine. Les parois externe 112 et interne 114 sont reliées entre elles à l'extrémité amont de la chambre de combustion par un fond de chambre 116.
La chambre 110 est dans cet exemple de type divergent, à savoir que l'axe 200 du foyer de combustion est divergent d'un angle α par rapport à un axe 100 parallèle à l'axe du moteur. Les parois externe 112 et interne
114 de la chambre de combustion 110 s'évasent de l'amont vers l'aval.
Le fond de chambre 116 est une pièce annulaire tronconique, qui s'étend entre deux plans transversaux en s'évasant de l'aval vers l'amont. Le fond de chambre 116 se raccorde à chacune des deux parois externe
112 et interne 114 de la chambre de combustion 110 et présente une faible conicité.
Le fond de chambre 116 est pourvu d'une pluralité d'ouvertures réparties angulairement autour de l'axe moteur et qui reçoivent chacune un système 118 d'injection de carburant prémélangé à l'air de combustion à travers lequel passe un injecteur 120 qui introduit du carburant dans la partie amont de la chambre de combustion 110 où se déroulent les réactions de combustion.
Ces réactions de combustion ont pour effet de rayonner de la chaleur de l'aval vers l'amont en direction du fond de chambre 116. Ainsi en fonctionnement le fond de chambre est-il soumis à de fortes températures.
Afin de le protéger, des écrans thermiques sectorisés, dits déflecteurs 122, sont interposés entre le foyer et les parois du fond de chambre 116.
Comme illustré sur la figure 2, chaque déflecteur 122 revêt la forme générale d'une plaque sensiblement plane réalisée en matériau réfractaire et fixée par brasage sur le fond de chambre 116. Il présente deux bordures latérales formant des murets 122b et 122c orientés vers la paroi du fond de chambre 116, un bord radialement externe 122f, un bord radialement interne 122e et une ouverture centrale 122a pour le passage de l'injecteur 120.
L'ouverture centrale 122a est alignée avec une des ouvertures de réception d'un système d'injection 118 dans le fond de chambre 116. Les bords radialement interne 122e et externe 122f du déflecteur 122 forment deux becquets ou languettes de guidage incurvés vers le foyer et ménageant un interstice avec les parois interne 114 et externe 112 de la chambre 110.
Le déflecteur 122 est refroidi par l'impact de jets d'air de refroidissement, symbolisés par des flèches sur la figure 3, pénétrant dans la chambre de combustion 110 au travers de perçages 124 ménagés dans le fond de chambre 116.
L'air formant ces jets, s'écoulant de l'amont vers l'aval, est guidé par des carénages de chambre 126, traverse le fond de chambre 116 à travers les perçages 124 de refroidissement, et vient impacter la face amont des déflecteurs 122. L'air est ensuite guidé radialement vers l'intérieur et l'extérieur du foyer pour initier la formation d'un film de refroidissement des parois interne 114 et externe 112 de la chambre 110.
Ce guidage le long des déflecteurs 122 est d'abord assuré par les murets latéraux 122b, 122c orientés radialement. Ces murets 122b, 122c ont aussi une fonction d'étanchéité. En étant au contact ou en assurant un jeu minimal avec le fond de chambre 116, Ils empêchent l'air de venir s'immiscer entre deux déflecteurs 122 adjacents, pénétrer dans le foyer et perturber la combustion.
L'initiation des nappes d'air de refroidissement des parois interne 114 et externe 112 de la chambre 110 est ensuite assurée par les deux becquets de guidage interne 122e et externe 122f de chaque déflecteur
122.
Or, il a été constaté que des points chauds se répartissent de façon régulière sur la circonférence des parois interne 114 et/ou externe 112 de la chambre 110, en particulier dans des plans radiaux contenant les axes des injecteurs 120.
La présente invention vise à éviter la formation de ces points chauds en proposant une chambre de combustion annulaire de moteur à turbine à gaz qui permette d'optimiser le guidage des nappes d'air de refroidissement sur les parois radialement interne et externe de la chambre. A cet effet, l'invention propose une chambre de combustion annulaire de moteur à turbine à gaz, comprenant une paroi radialement interne et une paroi radialement externe, reliées par une paroi formant un fond de la chambre de combustion, ce fond de chambre étant pourvu d'ouvertures destinées à recevoir chacune un système d'injection de carburant, des déflecteurs de protection thermique étant fixés sur ledit fond de chambre,
chaque déflecteur ayant la forme générale d'une plaque présentant une ouverture centrale, un bord radialement externe et un bord radialement interne, des perçages étant ménagés dans le fond de chambre pour assurer un passage d'air de refroidissement sur une face amont de chaque déflecteur, caractérisé en ce qu'au moins l'un des bords radialement externe et interne d'un déflecteur présente un muret d'étanchéité avec la paroi correspondante radialement externe ou interne, respectivement de la chambre de combustion.
Ainsi, selon qu'il est disposé sur le bord radialement interne (ou externe respectivement) du déflecteur, le muret d'étanchéité aiguille tout l'air de refroidissement débité au travers des perçages du fond de chambre vers la paroi radialement externe (ou interne respectivement) de la chambre de combustion.
Dans une forme de réalisation avantageuse, compatible avec l'une ou l'autre ou chacune des deux dispositions précédentes, le muret d'étanchéité présente une lumière d'écoulement disposée de manière à guider vers un plan radial déterminé un écoulement d'air de refroidissement sur la paroi radialement interne (ou externe) correspondante de la chambre.
Le plan radial déterminé peut avantageusement contenir l'axe général du système d'injection correspondant et la lumière d'écoulement être ménagée au centre du muret d'étanchéité.
Ainsi, avec cette lumière d'écoulement ménagée dans le muret d'étanchéité, l'invention favorise l'écoulement d'air de refroidissement sur la paroi externe et/ou interne de la chambre de combustion au niveau des axes des injecteurs, ce qui permet d'éviter la formation de points chauds dans ces régions. Bien entendu, cette solution serait applicable en tout point de la circonférence des parois externe et interne de la chambre de combustion, et pas uniquement au niveau des axes des injecteurs.
Le bord radialement interne ou externe du déflecteur peut avoir !a forme d'un becquet (ou languette) de guidage incurvé en périphérie duquel est réalisé ledit muret d'étanchéité.
L'invention a également pour objet un moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion telle que définie ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description de trois exemples de réalisation, donnés à titre non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 (déjà décrite) représente une demi-coupe axiale d'une chambre de combustion connue de type divergent ; la figure 2 (déjà décrite) est une vue en perspective d'un déflecteur de l'art antérieur utilisé pour la protection thermique de la paroi du fond de chambre de combustion ; - la figure 3 (déjà décrite) représente un détail de la figure 1 ; la figure 4 est une vue d'un fond de chambre analogue à la figure 1 et représente un premier exemple de réalisation de l'invention ; la figure 5 est une vue analogue à la figure 3 et représente un détail de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 et représente un second exemple de réalisation de l'invention ; la figure 7 est une vue de face d'un déflecteur selon un troisième exemple de réalisation de l'invention.
Dans ce qui suit, les éléments correspondant à des éléments déjà décrits en référence aux figures 1 à 3 seront désignés par les mêmes références numériques diminuées de 100.
Ainsi, comme précédemment, la chambre de combustion selon la présente invention comprend une paroi radialement interne 14 et une paroi
radialement externe 12, toutes deux reliées par une paroi tronconique qui forme un fond 16 de la chambre de combustion 10.
Le fond de chambre 16 est pourvu d'une pluralité d'ouvertures recevant chacune un système d'injection 18 de carburant. Des déflecteurs 22 de protection thermique sont fixés sur le fond de chambre 16. Chaque déflecteur 22 a la forme générale d'une plaque présentant un bord radialement externe 22f, un bord radialement interne 22e et une ouverture centrale 22a qui est alignée avec une des ouvertures de réception du système d'injection 18 dans le fond de chambre 16. Des perçages 24 ménagés dans le fond de chambre 16 assurent υn passage d'air de refroidissement sur une face amont de chaque déflecteur 22.
Dans l'exemple de réalisation de l'invention illustré sur les figures 4 et 5, le bord radialement externe du déflecteur 22 forme un muret 23f d'étanchéité en vue d'assurer une étanchéité entre le déflecteur 22 et la paroi radialement externe 12 de la chambre de combustion.
Le bord radialement interne 22e du déflecteur 22 demeure conforme à l'art antérieur, à savoir qu'il ménage un interstice avec la paroi interne 14 de la chambre 10 et forme un becquet ou une languette de guidage incurvé vers le foyer de combustion de manière à initier la formation d'un film d'air de refroidissement de la paroi interne 14.
Ainsi, la présence du muret 23f d'étanchéité avec la paroi externe 12 entraîne un aiguillage de tout l'air de refroidissement débité au travers des perçages 24 vers la paroi radialement interne 14 de la chambre de combustion.
Alternativement, toujours selon l'invention, il est possible de former le muret d'étanchéité sur le bord radialement interne 22e du déflecteur 22 et de conserver un becquet de guidage sur le bord externe 22f, afin d'aiguiller
tout l'air de refroidissement vers la paroi externe 12 de la chambre de combustion.
La figure 6 illustre une variante de réalisation du muret 23f d'étanchéité avec la paroi radialement externe 12 de la chambre de combustion. Ici, le bord radialement externe 22f a la forme d'un becquet de guidage incurvé conventionnel raccordé au muret d'étanchéité 23f.
Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 7, le bord radialement externe du déflecteur 22 comporte un muret d'étanchéité 23f ou 23f partiel, c'est-à-dire que ce muret ne s'étend pas sur toute la longueur du bord externe du déflecteur 22 comme dans les deux exemples précédents mais présente une lumière d'écoulement centrale 21f disposée de manière à guider l'air de refroidissement vers un plan radial P déterminé contenant l'axe général du système d'injection 18 correspondant.
L'écoulement d'air de refroidissement canalisé dans cette région de la paroi 12 par la lumière d'écoulement 21f permet d'éviter la formation de points chauds.
Comme représenté en figure 7, la lumière 21f peut s'étendre sur une partie substantielle de la longueur du muret 23f, et par exemple sur 30 % à 70 % de cette longueur. Le bord radialement interne du déflecteur 22 pourrait de même comporter un muret partiel d'étanchéité similaire en vue de guider l'air de refroidissement selon un axe particulier et d'éviter la formation de points chauds sur la paroi interne 14 de la chambre.
Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite pas au seul exemple de réalisation décrit ci-dessus; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application entrant dans le cadre des revendications qui suivent.
Claims
1. Chambre de combustion annulaire de moteur à turbine à gaz, comprenant une paroi radialement interne (14) et une paroi radialement externe (12) reliées par une paroi formant un fond (16) de la chambre de combustion (10), le fond de chambre (16) étant pourvu d'ouvertures destinées à recevoir chacune un système d'injection (18) de carburant, des déflecteurs (22) de protection thermique étant fixés sur ledit fond de chambre (16), chaque déflecteur (22) ayant la forme générale d'une plaque présentant une ouverture centrale (22a), un bord radialement externe (22f) et un bord radialement interne (22e), des perçages (24) étant ménagés dans le fond de chambre (16) pour assurer un passage d'air de refroidissement sur une face amont de chaque déflecteur (22), caractérisée en ce qu'au moins l'un des bords radialement externe et interne d'un déflecteur (22) présente un muret (23f, 23f) d'étanchéité avec la paroi radialement externe (12) ou interne (14) correspondante de la chambre de combustion.
2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit muret d'étanchéité (23f, 23f) présente une lumière d'écoulement (21f) disposée de manière à guider vers un plan radial déterminé (P) un écoulement d'air de refroidissement sur la paroi radialement interne (14) ou externe (12) correspondante de la chambre.
3. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit plan radial déterminé (P) contient l'axe général du système d'injection (18) correspondant et en ce que ladite lumière d'écoulement
(21f) est ménagée au centre du muret d'étanchéité (23f, 23f).
4. Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que la lumière d'écoulement s'étend sur 30 à 70 % de la longueur du muret d'étanchéité (23f, 23'f).
5. Chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bord radialement interne ou externe (22f) du déflecteur (22) a la forme d'un becquet de guidage incurvé raccordé en périphérie audit muret d'étanchéité (23f ).
6. Moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion selon l'une des revendications 1 à 5.
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