Brevet FR2023415A1 — publié le 19700821

i 2023415 La présente invention concerne les tubes à flammes pour appareillage de combustion de moteurs à turbine à gaz, et elle vise toute caractéristique nouvelle, ou combinaison de caractéristiques nouvelles, décrite ci-après et/ou illustrée dans les dessins annexés. Un objet, non limitatif, de l'invention est de réaliser un tube à flammes pour appareillage de combustion de turbine à gaz, ledit tube a flammes comportant au moins une cloison à double parois, intérieure et extérieure, qui s'étendent sur la majeure partie de sa longueur et de sa périphérie, la paroi intérieure comprenant une pluralité d'éléments périphériques, consécutifs dans le sens axial fixés â la paroi extérieure par leur extrémité amont seulement, et écartés de la dite paroi extérieure de façon à délimiter des passages intermédiaires, chaque élément, sauf celui d'extrémité aval, s'étendant vers l'aval jusqu'à l'extrémité amont de l'élément suivant, la paroi extérieure étant pourvue d'ouvertures dirigeant, au cours du fonctionnement, des jets d'air réfrigérant sur les éléments de la paroi intérieure pour les refroidir par impact, ledit air réfrigérant s'échappant ensuite par lesdits passages. Les passages peuvent être ouverts à leurs extrémités aval pour diriger le dit flot d'air réfrigérant sur la surface interne de la paroi du tube à flammes pour le refroidir par contact d'une couche réfrigérante. On peut prévoir des organes d'écartement pour maintenir les extrémités aval desdits éléments de paroi intérieure écartées de la paroi extérieure tout en permettant auxdites extrémités aval de coulisser par rapport à la paroi extérieure et par rapport aux autres éléments de la paroi intérieure. Chaque organe d'écartement peut s'étendre sur toute la périphérie de l'élément de paroi interne qui le porte, et il peut être muni d'orifices pour permettre l'écoulement de Pair réfrigérant. En variante, les organes d'écartement peuvent être constitués pour chaque élément par des protubérances angulairement espacées sur la périphérie d'une desdites parois et saillant vers l'autre paroi. Lesdites protubérances peuvent être des excroissances ménagées sur les éléments de la paroi intérieure, des ouvertures étant prévues pour permettre à l'air réfrigérant dudit passage, de circuler à la fois à l'intérieur et à l'extérieur desdites excroissances. La paroi intérieure peut être faite d'un matériau poreux pouvant être réfrigéré par épanchement ou transpiration. 69 39216 2 2023415 La paroi extérieure peut comporter une pluralité d'anneaux consécutifs dans le sens axial, chaque anneau aval ayant un diamètre tel qu'ilse trouve à l'extérieur, par rapport à l'intérieur du tube â flammes, de l'anneau immédiatement en amont, ledit anneau aval étant axialement aligné avec un dit élément 5 de paroi intérieure fixé seulement audit anneau immédiatement en amont. Selon un autre mode de réalisation, la paroi extérieure peut comprendre une pturafité d'anneaux espacés axialement, chaque anneau étant d'une seule pièce et se dédoublant à son extrémité aval, de façon à constituer dans chaque cas une paire de flasques annulaires écartés radialement et s'étendant axiale-10 ment, le flasque extérieur ( par rapport à l'intérieur du tube à flammes ) d'au moins un anneau étant relié à l'extrémité amont de l'anneau immédiatement en aval, l'autre flasque dudit premier anneau étant rattaché à l'extrémité amont d'un desdits éléments de paroi intérieure. Des flasques s'étendant radialement peuvent être prévus à l'extrémité 15 amont du tube à flammes, ces flasques pouvant porter des injecteurs de carburant et étant équipés d'écrans thermiques dirigés vers l'aval. L'extrémité aval du tube à flammes peut être équipée d'une tuyère d'échappement à double paroi, extérieure et intérieure. On pourra prévoir des ouvertures permettant le passage d'air réfrigérant 20 vers l'amont entre les parois inférieure et extérieure de la tuyère d'échappement pour les refroidir et des organes dirigeant ensuite ledit air réfrigérant vers l'aval sur la surface intérieure de la paroi de la tuyère d'échappement pour la réfrigérer. Le dernier élément aval de la paroi intérieure du tube à flammes peut re-25 couvrir un {oint à emboîtement prévu entre le tube à flammes et la tuyère d'échappement pour l'isoler de l'intérieur du tube à flammes. La présente invention concerne encore, selon un autre de ses aspects non limitatif, un moteur à turbine à gaz équipé d'un tube à flammes tel que défini ci-dessus. 30 On décrira maintenant l'invention, simplement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure T est une coupe longitudinale d'une partie d'un moteur à turbine à gaz équipé d'un tube à flammes selon l'invention ; - la figure 2 est aussi une coupe longitudinale, d'un type différent de 35 tube à flammes selon l'invention ; 69 39216 3 2023415 - la figure 3 est une coupe partielle selon la ligne 3-3 de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue selon la flèche 4 de la figure 3 ; et - la figure 5 est une coupe longitudinale partielle d'un autre type de tube à flammes selon l'invention. 5 En référence à la figure 1, un moteur à turbine à gaz ( partiellement re présenté ) présente un conduit principal d'écoulement 11 dans lequel sont montés, en série dans le sens axial d'écoulement des gaz : un compresseur dont on voit l'étage de rotor aval extrême 13, un appareillage de combustion 14 et un étage de turbine 16 qu'une transmission classique par arbre ( non représentée ) rend 10 solidaire du compresseur 13. Une couronne d'aubes de guidage de sortie 17 est disposée axialement entre le compresseur 13 et l'appareillage de combustion 14 et, en amont de la turbine 16, est prévu une couronne d'aubes de guidage d'entrée 19. L'appareillage de combustion 14 comprend une chambre de combustion 15 annulaire 20 dans laquelle est logé un tube à flammes annulaire 22. En fonctionnement, l'air comprimé provenant du compresseur 13 entre dans la chambre de combustion 20 après avoir passé par les aubes de guidage de sortie 17 et traverse le tube à flammes 22 par trois gradins classiques d'entrée d'air 21, 23 et 25, respectivement. Du carburant est injecté dans le tube à flammes 22 en cours 20 de fonctionnement par une ou plusieurs buses d'injection ( non représentées ) et le mélange gazeux est allumé. Les produits de la combustion quittent le tube à flammes 22 à son extrémité aval par une tuyère d'échappement 26 et gagnent les aubes de guidage d'entrée 19 de la turbine 16. La tuyère d'échappement 26 est raccordée au tube à flammes par des anneaux d'emboTtement 26a, 26b radia-25 lement intérieur et extérieur, enduits de stellite et permettant le déplacement relatif du tube à flammes et de la tuyère d'échappement. Pendant la combustion du mélange gazeux, les parois du tube à flammes deviennent extrêmement chaudes, et des tubes à flamme 22 réalisés en des matériaux classiques ont une durée d'usage limitée. 30 Pour augmenter la durée d'usage d'un tube à flammes, le tube à flammes 22, ainsi que sa tuyère d'échappement 26, est réalisé sous la forme d'un organe à double paroi, pratiquement sur toute sa longueur et sa périphérie. Le tube à flammes annulaire 22 possède une cloison radialement interne 27 et une cloison radialement externe 28 ayant chacune respectivement une paroi intérieure 30 35 et une paroi extérieure 32. 69 39216 2023415 L'extrémité amont de chaque paroi intérieure 30 est munie d'un ou plusieurs flasques 33 s'étendant radialement, entre lesquels peut se loger un injec-teur de carburant ( non représenté ) et par lesquels l'air primaire peut pénétrer dans l'intérieur du tube a flammes 22. De p lus, si on le désire, des aubes de tur-5 bulence peuvent également être montées sur les flasques 33. Un écran thermique 33a, dirigé vers l'aval, est prévu pour protéger les flasques 33 qui seraient, sans cela, exposées à des températures élevées ainsi qu'aux contraintes résultant du poids des injecteurs. On notera que le tube à flammes 22 est à double paroi depuis les plans 10 radiaux des parties des flasques 33 les plus en amont jusqu'au plan immédiatement en amont du bord amont des aubes de guidage d'entrée 19, ou jusqu'au plan de ce bord. Les parois intérieures 30 comprennent une pluralité d'éléments 35 consécutifs dans le sens axial, l'extrémité amont de chacun d'eux étant seule reliée, 15 de préférence par soudage, aux parois extérieures correspondantes 32. Les parois extérieures 32 consistent chacune en deux anneaux axialement consécutifs 32a, 32b, le diamètre de l'anneau aval est tel que cet anneau est situé à l'extérieur ( par rapport au tube à flammes ) de l'anneau 32a immédiatement en amont. Dans le mode de réalisation représenté et décrit les divers anneaux sont d'une seule 20 pièce. Des éléments de paroi externe 35 amont et aval sont indiqués en 35a et 35b. Les éléments amont 35a s'étendent vers l'aval jusqu'à l'extrémité amont de l'élément aval 35b. Les éléments aval 35b sont alignés avec les parois annulaires externes aval 32b et sont joints seulement aux extrémités aval des anneaux 25 amont 32a. Les éléments de paroi interne 35 sont écartés de la paroi externe pour délimiter des passages 31. Dans ce mode de réalisation, l'écartemenf est maintenu à un minimum par des pièces d'écartement 36 portées par les éléments de paroi interne 35 et s'étendant sur leur périphérie. Chaque pièce d'écartement 36 est 30 faite d'une seule pièce avec l'élément de paroi 35 qui la porte. Sans les pièces d'écartement, certains des passages 31 pourraient être obstrués par suite d'une distorsion éventuelle du tube à flammes sous l'influence d'un échauffement local. Les pièces d'écartement 36 ne sont pas fixées aux parois extérieures respectives 32 mais elles sont montées au moyen d'un joint glissant à ajustement 69 39216 5 2023415 serré et sont pourvues d'un enduit tel que, par exemple, un enduit de stellite déposé par pulvérisation. Ceci permet un certain jeu, pour le cas de dilatation thermique, entre parois intérieure et extérieure correspondantes, et augmente la résistance â l'usure due à l'effet de frette. 5 Les parois extérieures 32 sont pourvues d'un grand nombre d'ouvertures 34 destinées à diriger un flot d'air réfrigérant sur les faces radialement extérieures des parois intérieures 30 par les passages 31. Les ouvertures 34 dirigent des jets d'air réfrigérant sur la surface des parois intérieures 30 selon un angle important de façon à réaliser la réfrigération par impact des parois 30. 10 Les pièces d'écartement 36 sont également munies d'un certain nombre d'ouvertures 37,37a permettant le passage de l'air réfrigérant et sa pénétration à l'intérieur du tube à flammes 22 par les passages 31. Les ouvertures 37 dirigent l'air réfrigérant qui en sort vers la face interne, puis le long de cette face interne de l'élément 35b de la paroi intérieure, de façon à la refroidir par effleure-15 ment. De façon semblable, les ouvertures 37a dirigent de l'air réfrigérant sur la face interne du tube à flammes de façon à la refroidir. La paroi extérieure 32 de la tuyère d'échappement 26 est munie, au moins à son extrémité aval, d'ouvertures 40 permettant â l'air réfrigérant de pénétrer dans les passages 31 entre les parois de la cloison de la tuyère d'échappement 20 pour les réfrigérer. Les ouvertures 40 seront conçues de préférence, de façon que cette réfrigération s'effectue, au moins partiellement, par impact de l'air de refroidissement.sur la paroi intérieure 30. D'autres ouvertures 42 sont ménagées dans les parties amont des parois intérieures 30 des cloisons de la tuyère d'échappement. L'air réfrigérant, provenant 25 des passages 31 des parois de la tuyère d'échappement, pénètre, par les ouvertures 42, à l'intérieur du tube à flammes où des plaques déflectrices 46 le font circuler vers l'aval sur la face interne des parois de la tuyère d'échappement pour la refroidir, de préférence par effleurement, en plus du refroidissement pouvant être réalisé par l'air réfrigérant sortant des ouvertures 37a. 30 La figure 2 représente un type différent de tube à flammes conforme à la présente invention. Les pièces semblables à celles de la figure 1 portent les mêmes références et ne seront pas décrites à nouveau. Seuls les points de différence seront traités en détail. Le mode de réalisation représenté à la figure 2 diffère de celui de la fi-35 gure 1 en ce qu'il y a trois anneaux consécutifs dans le sens axial 50, 52, 54 69 39216 6 2023415 dans les parois radialement externe et interne, chacun d'eux étant aligné avec un élément de paroi interne correspondante 56, 58, 60. "En outre une section de paroi interne 61 supplémentaire se trouve à l'extrémité aval radialement externe du tube à flammes. 5 Sur une faible longueur, 62, 64, les parois du tube à flammes radiale ment externe et interne, 27 et 28, sont à simple et non à double paroi à leurs extrémités amont, parce que, dans ce mode de réalisation, on juge préférable de compter à cet endroit sur le refroidissement externe par convection produit par l'air gagnant les gradins secondaire et tertiaire 23, 25, la différence de pression 10 entre l'intérieur et l'extérieur du tube à flammes étant insuffisante â cet endroit pour permettre une réfrigération efficace par impact. Au lieu des organes d'espacement 36 s'étendant sur toute la périphérie, on a, dans ce cas, une pluralité de protubérances 66 angulairement espacées sur la paroi intérieure et de forme partiellement cylindrique ( figure 3). Ces calot-15 tes font saillie vers la paroi extérieure 32 et une ouverture 68 est ménagée dans les éléments de paroi immédiatement en amont de chaque protubérance pour permettre à l'air réfrigérant qui circule dans les passages 31 de passer à l'intérieur et à l'extérieur des protubérances 66 pour les refroidir par effleurement. Les ouvertures s'étendent dans les protubérances adjacentes de sorte que, ainsi qu'on 20 peut le voir sur la figure 2, les faces d'attaque des protubérances agissent comme des écopes. L'élément 61 de paroi interne supplémentaire sert â remplacer l'une des plaques déflectrices 46 du mode de réalisation représenté à la figure 1. L'élément 61 est semblable aux éléments 56, 58, 60 et, non seulement, dirige l'air 25 réfrigérant sortant des ouvertures 42, mais encore protège l'anneau d'emboîtement radialement extérieur 26b qui constitue, à cet endroit du tube à flammes, la paroi extérieure radialement externe. Un autre élément de paroi intérieure semblable peut, si on le désire, être mis â la place de la plaque radialement intérieure 46. 30 La figure 5 représente un autre mode de réalisation du tube à flammes se lon Pinvention . La paroi extérieure 32, dont seule la partie radialement extérieure est représentée sur la figure 5, comprend une pluralité d'anneaux 70, 71 faits d'une seule pièce ( par exemple par usinage), se divisant chacun à son extrémité aval pour constituer une paire de flasques annulaires 72, 74 radialement 39216 7 2023415 écartés et s'étendant axialement. Le flasque extérieur 72 ( par rapport à l'intérieur du tube à flammes ) de l'anneau 70 est soudé bout-a-bout à un élément cylindrique 75, lui-même soudé bout-à-bout â l'extrémité amont de l'anneau 71. Chacun des flasques 74 porte un élément de paroi intérieure 58, 60, etc. qui lui est soudé bout-à-bout. Dans fous les modes de réalisation décrits, les parois intérieures 30 du tube à flammes y compris celles de la tuyère d'échappement 26, peuvent être faites d'une matière poreuse pouvant être refroidie par épanchement ou transpiration, en plus du refroidissement par impact qui vient d'être décrit. Le refroidissement par épanchement ou transpiration peut être considéré comme plus efficace qu'un simple refroidissement par impact parce que son mécanisme peut être décomposé en deux éléments, à savoir un échange thermique entre la matière poreuse et le réfrigérant quand ce dernier passe â travers la matière poreuse, et un effet d'isolation résultant de l'ambiance créée autour du matériau. De préférence, la plus grande partie de la chute de pression sur la longueur de la paroi du tube à flammes devra se produire sur la longueur de la paroi extérieure. La chute de pression, relativement faible par conséquent, le, long de la paroi intérieure aura pour conséquence une réduction considérable ou une annulation des contraintes de pression dans la paroi intérieure chaude. Une autre conséquence en sera que la durée d'usage du tube à flammes sera prolongée ou qu'on pourra augmenter la température de fonctionnement de la paroi intérieure. Elle pourra également augmenter l'efficacité de fa réfrigération par impact. On comprendra facilement que, bien que l'invention ait été décrite en se référant à des tubes à flammes annulaires elle est également applicable à des tubes du type "caisson". 69 39216 s 2023415 REVENDICATIONS 1 . Tube a flammes pour appareillage de combustion de. turbine à gaz, ledit tube à flammes comportant au moins une cloison à double paroi, intérieure et extérieure, qui s'étendent sur la majeure partie de sa longueur et de sa périphérie, la paroi intérieure comprenant une pluralité d'éléments périphériques 5 consécutifs dans le sens axial, ledit tube â flammes étant caractérisé en ce que les éléments de paroi intérieure 35 sont fixés à la paroi extérieure 32 par leur extrémité amont seulement, et sont écartés de ladite paroi extérieure 32 de façon à délimiter des passages intermédiaires 31, chaque élément 35, sauf celui d'extrémité aval, s'étendant vers l'aval jusqu'à l'extrémité amont de l'élément 10 suivant, la paroi extérieure 32 étant pourvue d'ouvertures 34 dirigeant, au cours du fonctionnement, des jets d'air réfrigérant sur les éléments 35 de la paroi intérieure pour les refroidir par impact, ledit air réfrigérant s'échappant ensuite par lesdits passages 31. 2. Tube â flammes selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 15 passages 31 sont ouverts à leurs extrémités aval pour diriger ledit flot d'air réfrigérant sur la surface interne de la paroi du tube à flammes 30 pour créer une pellicule de refroidissement sur celle-ci. 3. Tube à flammes selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que des organes d'écartement 36 maintiennent les extrémités aval desdits éléments 20 35 de pàrol intérieure écartées de la paroi extérieure 32 tout en permettant aux dites extrémités aval de coulisser par rapport â la paroi extérieure et par rapport aux autres éléments de la paroi intérieure. 4. Tube à flammes selon tes revendications 2 et 3 caractérisé en ce que chaque organe d'écartement 36 s'étend pratiquement sur toute la périphérie de 25 l'élément 35 de paroi interne qui le porte, et est percé d'ouvertures 37 permettant l'écoulement d'air réfrigérant. 5. Tube à flammes selon la revendication 3 caractérisé en ce que les organes d'écartement comportent pour chaque élément, une pluralité de protubérances 66, (figure 3) angulaîrement espacées , sur une dite paroi 30 et saillant 30 vers l'autre paroi 32. 6. Tube à flammes selon la revendication 5 caractérisé en ce que les protubérances 66 sont des excroissances des éléments de .la paroi intérieure 30, des ouvertures 68 étant prévues pour permettre à l'air réfrigérant dudif passage 39216 9 2023415 31, de passer à l'intérieur et à l'extérieur desdites excroissances 66. 7. Tube à flammes selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la paroi intérieure 32 est faite d'un matériau poreux pouvant être réfrigéré par épanchement ou transpiration. 8. Tube è flammes selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ta paroi extérieure 30 comporte une pluralité d'anneaux axialement consécutifs 32a, 32b, chaque anneau aval 32b ayant un diamètre tel qu'il se trouve à l'extérieur, par rapport à l'intérieur du tube â flammes, de l'anneau immédiatement en amont 32a, et l'anneau aval étant axialement aligné avec un dit élément de paroi intérieure 35b fixé seulement audit anneau 32a immédiatement en amont. 9. Tube à flammes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la paroi extérieure 32 comprend une pluralité d'anneaux écartés axialement 70, 71 (figure 5), chaque anneau étant d'une seule pièce et se dédoublant â son extrémité aval, de façon à constituer dans chaque cas une paire de flasques annulaires 72, 74 espacés radialement et s'étendant axialement, te flasque extérieur 72, par rapport à l'intérieur du tube à flammes, d'au moins un anneau 70 étant relié à l'extrémité amont de l'anneau 71 immédiatement en aval, l'autre flasque 74 dudît premier anneau étant relié à l'extrémité amont d'un des dits éléments de paroi intérieures 58, 60. 10. Tube â flammes selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend dés flasques 33 s'étendant radialement à l'extrémité amont du tube à flammes, et pouvant porter des injecteurs de carburant, lesdits flasques étant équipés d'un écran thermique 33a dirigé vers l'aval. 11. Tube à flammes selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que son extrémité aval est munie d'une tuyère d'échappement 26 à double paroi, intérieure et extérieure 30, 32. 12. Tube à flammes selon la revendication 11 caractérisé en ce que des ouvertures 40 sont prévues pour le passage d'air réfrigérant vers l'amont entre les parois inférieure 30 et extérieure 32 de la tuyère d'échappement 26 pour les refroidir, et des organes 42 , 46 dirigent ensuite ledit air réfrigérant vers l'aval sur la surface intérieure 30 de la tuyère d'échappement pour la réfrigérer. 13. Tube à flammes selon l'une des revendications 11 ou 12 caractérisé en ce que le dernier élément intérieur aval 61 dé la paroi du tube à flammes re 69 39216 10 2023415 couvre un joint à emboîtement 26b prévu entre le tube à flammes 22 et la tuyère d'échappement 26 pour l'îsoler de l'intérieur du fubé à flammes .