Brevet FR2055720A1 — publié le 19710430

La présente invention concerne un système de parois destiné à séparer l'un de l'autre, notamment dans une installation de combustion, un premier canal parcouru, en fonctionnement, par un ïlux d'un fluide à temérature relativement élevée, et un deuxième canal parcouru, en fonctionnement, par un flux dgun fluide à tempé- rature relativement basse ais à pression voisine de celle du premier flux. Elle s'applique plus particulièrement, quoique non exclusivement, aux chambres de combustion ou de post-combustion faisant partie de machines thermicues telles que des installations motrices à turbine à gaz @@ des réacteurs de propulsion, et dans les quelles le flux chaud @t le flux froid sont constitués respectivef ment par un courant de gaz de combustion et un courant d'air. On désignera dans la suite par les expressions "canal intérieur" ou "tube de flamme" le canal parcouru tar- le flux chaud (gaz), et par l'expression "canal exterieur" le canal parcouru par le flux froid (air). Un problème important aui se pose dans de telles installations est, comme on le sait, celui de la protection du système de parois contre l'action des gaz chauds. Pour assurer cette protection, l'une des solutions les plus fréquemment employées consiste à interposer entre le flux de gaz chauds et le système de parois une pellicule ou film d'air de refroidissement qui préserve le sys tème de parois de tout contact direct avec ledit flux.C'est ainsi par exemple, qu'il est connu de former, dans des zones de chevau- chement de portions localement dédoublées de la paroi d'un tube de flamme, des passages sensiblement parallèles à ladite paroi et à travers lesquels de l'air prélevé dans le canal extérieur peut pénétrer de façon à constituer le film en question. la formation d'un tel film n'est évidement possible que si la pression du flux froid est au moins légèrement supérieure à celle du flux chaud, ce qui est généralement le cas compte tenu du fait que les deux flux ont le plus souvent la mme origine et que le flux chaud subit au sein du tube de flamme une perte de charge supérieure à celle à laquelle le flux froid est soumis dans le canal extérieur. Pour augmenter la durée de vie du film, c'est-à-dire pour empêcher celui-ci de se mélanger trop rapidement au flux de gaz chauds parcourant le tube de flamme, on a proposé en outre di- vers moyens ayant généralement pour effet de modifier dans un sens favorable la vitesse ou la pression d'introduction de l'air à tra vers la paroi du tube de flamme. C'est ainsi, en particulier, que les passages formés dans la zone de chevauchement dont il a été question plus haut peuvent, suivant le cas, présenter la forne cie fentes ou de tubes à section constante @@ variable, par exemple cylindriques ou divergents. La réalisation de telle zones de chevauchement et des passages qui y sont formés coupe ue@héanmoins, d'une facon géné- râle, 12 construction de l'installation et peut poser, lorsque le canal parcouru par le flux de gaz chaude présente un profil en long variable, des problèmes délicats de fabrication et de :dse en oeuvre entraînant une augmentation n@table du prix de revient de l'installation.C'est le cas, notamment, lorsque la paroi à protéger fait partie d'un convergent constituant la partie aval d'un tube de flamme dans la zone de raccordement ae ce tube à un distributeur de turbine à gaz. On relèvera, à ce propos, que la longueur axiale d'un tel convergent est généralement supérieure à la longueur qui peut être protegée de façon effective par le dernier film de type classique qui précède immédiatement ce conver- gent, de sorte que ce dernier est insuffisamment refroidi, surtout si la température des gaz à l'entrée de la turbine est élevée. t'invention a pour objet une disposition permettant dtéviter d'avoir recours à des zones de chevauchement du-genre de celles dont il vient d'entre question, et d'obtènir néanmoins, de façon simple et peu conteuse, une protection thermique efficace de la paroi d1un canal notamment convergent, parcouru par un fluide à température élevée.Elle par-,- -a cet effet, d'une disposition cornue dans laquelle le système de- parois séparant les deux flux comprend, ménageant entre elles un espace intermédiaire, deux parois en contact l'une avec le flux chaud et l'autre avec le flux froid, , lesdites parois étant percées chacune de moyens de passage à travers lesquels du fluide froid en provenance du deuxième canal peut pénétrer, à travers ledit espace intermédiaire, dans le premier canal pour y exercer une action de refroidissement, par exemple par effet dé film ou-cle-tra-r.spiration Suivant l'invention, les moyens de passage relatifs à chacune des deux parois sont groupés respectivement dans une zone perforée de la paroi concernée, les -deux' zones perforées@étant déterminées de façon telle que la zone perforée de celle des parois qui est en contact avec le flux chaud est décalée vers l'aval,dans le sens de parcours dudit flux. par rapport à da zone perforée de l'autre paroi, les deux parois étant, de préférence, sensiblement parallèles. Le fluide de refroidissement prélevé sur le flux froid parcourt alors, d'amont vers l'aval, l'espace intermédiaire sur une longueur axiale notable et l'action de refroidissement, par effet de film ou de transpiration, qu'il procure se double alors d'une action de refroidissement supplémentaire, par convection augmentée d'un effet d'impact d'a;i.tant plus intense que la vitesse d'écoulement de ce fluide à travers l'espace intermédiaire est plus grande. Cette vitesse étant elle-même une fonction croissante de la différence de pression entre les deux extrémités axialement espacées de l'espace intermédiaire, le fait d'implanter les passages de sortie du fluide de refroidissement en aval des passages d'entrée de ce fluide dans l'espace intermédiaire permet de tirer profit de la perte de charge du flux chaud dans le canal intérieur pour augmenter ladite différence de pression. Cet effet est encore augmenté, dans le cas ou le canal intérieur est convergént, par la diminution de pression statique du flux chaud corrélative à sa mise en vitesse avant son entrée dans la turbine. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique, en coupe partielle par un plan axial, d'une installation équipée d'un système de paroi conforme à l'invention. La figure 9 est une vue schématique, en coupe à plus grande échelle, d'un système de paroi conforme à l'invention, appliqué au cas où la portion de canal à protéger est convergente. La figure 3 est une vue schématique, en coupe, d'un système de parois conforme à l'invention, appliqué au cas où la portion de canal à proteg-er présente un profil sensiblement constant, par exemple cylindrique. Sur la figure 1, on a désigné par le repère général 1 une installation comprenant un système de parois 2 séparant, l'un de 1' autre, deux canaux 3, 4, parcourus, en fonctionnement, respectivement par un flux F1 d'un fluide à température relativement élevée (ou flux chaud) et un flux F2 d'un fluide à température relativement basse (ou flux froid). Cette installation est constituée, dans l'exemple représenté, par une chambre de combustion sensiblement annulaire d'axe X'X équipant une installation motrice à turbine à gaz.Cette chambre est li-mitee par deux carters coaxiaux 5. 6, délimitant entre eux une enceinte annulaire dans laquelle sont logés une pluralité de tubes de flamme de section tubulaire, disposés, de façon connue, en barillet autour de l'axe X'X. On a désigné par x'x l'axe d'un tube de flamme. L'intérieur de chacun des tubes de flamme me constitue un canal intérieur 3 parcouru1 en fonctionnement, par un courant de gaz de combustion F1 constituant le flux chaud, tandis que l'espace compris entre les carters 5, 6 et extérieur aux tubes de flamme 3 constitue le canal extérieur 4 parcouru, en fonctionnement, par un courant d'air F2 constituant le flux froid.La chambre de combustion est alimentée en carburant par un conduit 7 et en air par un conduit 8 raccordé à la sortie d'un compresseur (non représenté). Le débit d'air fourni par le compresseur est diot- sé en deux parties, dont l'une donneraissance, à la suite de la combustion du carburant, au flux chaud B1 tandis que l'autre constitue le flux froid F2. Les pressions des deux-flux sont supposées voisines l'une de l'autre, ce qui est le cas dans l'installation de combustion représentée puisque ces deux flux ont la même originsev En fait, dans une telle installation, il existe pour chaque abscisse a , le long de l'axe x'x, une légère différence de pression entre le flux froid et le flux chaud, due au fait que, sur le flux chaud sont créées des turbulences nécessaires à la combustion ce qui implique une perte de charge legèrement plus importante que celle qui se produit dans le flux froid.Cette légère différence de pression est utilisée, de façon connues pour faciliter la pénétration de fluide froid dans le canal 3, par exemple en tant qu'air de-combus- tion, de refroidissement ou de dilution traversant des orifices transversaux tels que 9, 10, 11, 12 et/ou de passages axiaux tels que 13, 14, 15, 16, 17, Ces passages axiaux peuvent s'étendre. par exemple, dans des zones de chevauchement de portions localement dédoublées du tube de flainnie, et ils permettent, de façon connue, de former entre la paroi dudit tube et le flux chaud un film de fluide froid jouant un rôle protecteur. A sa partie aval, la chambre de combustion 1 se-raccor- de à un distributeur 18 de turbine à gaz. Comme on le saint, les chambres de combustion pour turboréacteurs doivent1 non seulement avoir un taux de combustion élevé, mais encore assurer la dilution d'un grand excès d'air froid dans les gaz de combustion. Elles ont donc un grand volume et l'importance de leur dimensions transversa les, comme celles des tubes de flamme qui le composent, exige généralement, pour permettre leur raccordement à la veine de hauteur limitée du distributeur de turbine, une partie convergente telle que 19. Ainsi qu'il a été expliqué plus haut, la protection thermique de zones à profil en long variable, telles que le conver- gent 19, au moyen de films d'air comme ceux qui sont produits dans les zones de chevauchement lffl à 17, présente de sérieuses difficultés auxquelles la présente invention vise à remédier. Sur la figure 2, on a représenté à plus grande échelle, un système de paroi 2 perfectionné conformément à l'invention et destiné à former la partie aval convergente 19 d'un canal, tel qu'un tube de flamme, parcouru par un flux de fluide B1 à température élevée. On retrouve sur cette figure le dernier passage axial 17 permettant d'obtenir, de fanon connue, un film d'air protecteur dont la limite a été schématisee par la ligne en trait mixte 20, et on voit que la longueur axiale de la partie du convergent 19 effectivement protégée par ce film est bien inférieure à la longueur axiale totale de ce convergent. Le système de parois 2 qui sépare l'un de l'autre les deux flux comprend, au moins dcns la région 19 à protéger, deux parois 21, 22, de préférence sensiblement parallèles, disposées à faible distance l'une de l'autre de manière à définir un espace intermédiaire -'-i. Ces parois qui sont en contact respectivement avec le flux froid et le flux chaud, comprennent chacune une zone perforée de moyens de passage 24, @5, à travers lesquels du fluide froid prélevé sur le flux F2 peut penatrer dans le canal intérieur 3 en parcourant au préalable l'espace intermédiaire 23. Suivant l'invention, la zone perforée 25 est décalee vers l'aval, dans le sens de parcours du flux chaud, par rapport à la zone perforée 24. En fonctionnement, il s'établit, dans la portion de les pace intermédiaire 23 comprise entre les deux zones perforées, un courant "f" de fluide de refroidissement dont la vitesse est fonction de la différence (p2-p1) entre la pression p2 du fluide froid au point d'abscisse "a" et la pression P1 du fluide chaud au point d'abscisse "b". Si l'on dWsigne par P'1 la pression du fluide chaud au point d'abscisse "a", on a P1 fft due au profil convergent de la paroi 22. Si l'on admet o;nc les pressions p2 et P'1 sont voisi nes (la pression p2 étant, en général, ainsi qu'on l'a vu plus haut, légèrement~supérieure à la pression P'1), on a toujours P2 > p1, l'effet de convergence de la paroi 22 venant s'additionner à celui de la perte de charge au sein du flux chaud, Il en résulte que la vitesse du courant "f", dont la direction initiale est sensiblement perpendiculaire à la paroi 22, est très élevée, ce qui provoque le long de la paroi 22 une convection intense par effet d'impact. Le fluide de refroidissement sortant en 25 peut ensuite former un film assurant la protection thermique de l'extrémité aval du convergent. Ce film n'a sans doute pas l'efficacité d'un film classique plus élaboré, mais il est suffisant en raison de la faible longueur de protection qu'il doit assurer. Sur la figure , on a représenté un mode d'exécution de l'invention appliqué à un canal à profil sensiblement constant, par exemple cylindrique, en conservant, pour désigner des organes analogues, les mêmes repères que pour la figure 2. Dans ce cas également, il existe, entre les points d'abscisses "a" et "b" une dif férence de pression (p2-p1) due à la perte de charge que subit le flux chaud F1 dans le canal intérieur ou tube de flamme 3. Cette différence de pression est sans doute moins importante que dans le cas d'un canal convergent mais suffit, dans le cas d'un canal à forte perte de charge, à donner à l'écoulement "" l'énergie cinétique nécessaire pour obtenir l'effet d'impact désiré. Des déflecteurs 26 peuvent, en outre, être prévus pour donner à l'écoulement "f" pénétrant dans le canal s une composante axiale favorisant la formation d'un film protecteur le long de- la paroi 22. De tels déflecteurs pourraient évidemment être utilisés egalement dans le cas de la figure 2. il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, REVENDICATIONS 1. Système de parois destiné à séparer l'un de l'autre un premier canal parcouru en fonctionnement par un flux d'un fluide à température relativement élevée (flux chaud), -et un deuxième canal parcouru en fonctionnement par un flux d'un fluide à température relativement basse (flus- froid) mais à pression voisine de celle du premier flux, comprenant, ménageant entre elles un espace intermédiaire, deux parois en contact l'une avec le flux chaud et/l'autre avec le flux froid, lesdites parois étant percees, chacune, de moyens de passage à travers lesquels du fluide froid en provenance du deuxième canal peut pénétrer, à travers ledit espace intermédiaire, dans le premier cmulal, caractérisé en ce que les moyens de passage relatifs à chacune des deux parois sont groupés respectivement dans une zone perfor@e de la paroi concernée, et en ce que la zone perforée de celle des parois qui est en contact avec le flux chaud est décalée vers l'P-fflal, dans le sens de parcours dudit flux, par rapport à la zone perfore de l'autre paroi. 2. Système de pa-ois suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux parois sont sensiblement parallèles. 3. Système de parois suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caracterise en ce que, au moins dans sa partie comprise entre les deux zones perforées, le canal parcouru par le flux chaud est convergent. 4. installation, notamment de combustion, caractérisée en ce qu'elle est équipe d'au moins un système de parois suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7.