Brevet FR2111931A1 — publié le 19720609

- i - La prése .te iive itio. concerne u.e chemise résistait, c la chaleur et plus particulièrement u ,e chemise qui est d'une utilité particulière pour les milieux £ température élevée d'une turbine c.- r-az. 5 £a.»s la plupart des applications de turbine s caz, les chambres de combustion, soit le brûleur principal où le dispositif de post-coirujustio.i, utilise it u.^e cnemise refroidie pour limiter la température des structures de paliers priiicipaux du moteur. Dans l'application du brûleur principal cette chemise sert 1° aussi s contrôler la distribution carburant- air dans la zône principale de combustion et permet le mêla ice co îtrôlé d'air non-consumé avec les procuits de la combustion pour obtenir les conditions de température d'entrée désirées de la turbine. Le refroidissement de la chemise qui définit actuellement une zone de com-15 bustion à l'intérieur de laquelle se produit la combustion a pour le Dut de limiter la température de la cnemise et la température des éléments structuraux des paliers principaux. Les constructions connues des chemises pour les chambres de combustion ont plusieurs désavantages,p.ex., ces construc-20 tions exiaent de cra.ides quantités d'air de refroidissement ré duisant ainsi l'air disponible pour la combustion et ou la dilution dans le cas des brûleurs principaux. Ceci limite la performance du brûleur en ce qui concerne la capabilité d1aucmentation de la température et la qualité du profil de la température de 25 sortie. Ceci peut aussi avoir le résultat de fournir des chambres de combustion plus longues ou des brûleurs avec une diminution ce pression plus crande pour ODte.^ir la température d'eitrée désirée de la turbine avec uie plus petite quantité .d1 air de dilu-tio.. Ceci a évidemment pour résultat d'influencer la performance 30 de la turci.ie £ gaz. La présente i ivention fournit d'une cnemise pour une chambre de combustion qui évite les principaux problèmes posés par les constructions conventionnelles et les exiaences en air de refroidissement sont réduites d'environ 50%. En outre, la chemise 35 suivant 1 ' invention est esse.itiellement sans cradients thermiques COPY 71 36545 2111931 - 2 - améliorait ainsi les caractéristiques de lonnévité du brûleur. La description précédente a été diricée et limitée s une construction qui a une utilisation particulière dans les milieux è température élevée d'une turbine à caz, cependant il faut 5 noter que la présente invention peut être utilisée dans d'autres milieux, p.ex. partout où une structure à double paroi contenant ui. fluide entre les deux parois est utilisée. Un objet principal de la présexite invention est de fournir une construction de cnemise qui est d'une utilité parti-10 culière dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz, la construction étant tel que la chemise et les éléments structuraux adjacents sont maintenus à une température de fonctionnement acceptable sans soumettre ces éléments à des oradients thermiques défavorables. 15 Le brûleur ou la chambre de combustion comprend une chemise avec deux parois espacées radiallement. L'espace radial est actuellement un chemin d'écoulement qui s'étend le long de la longueur entière de la chemise. Le chemin d'écoulement est divisé en plusieurs canaux d'une section relativement petite. Les ca-2o naux sont formés par des rainures ou par utilisation d'une bande ondulée. Les parois qui séparent les passacres de refroidissement individuels augmentent la surface qui est en contact avec l'agent de refroidissement et, par conséquent, le refroidissement de la chemise pour la maintenir à une température acceptable est amélio-25 ré. Dans le mode de réalisation préféré, plusieurs segments a double paroi sont reliés l'un à l'autre pour former des séries de canaux s'étendant le long de la loncueur entière de chaque segment et la longueur de chaque segment est dimensionnée en fonction de la température dans la partie adjacente de la zône de combustion. 30 Chacun des canaux a un rapport longueur/rayon nydraulique relativement élevé. La paroi intérieure de la chemise est exposée direc- ' tement à la chaleur des gaz de combustion, et par conséquent cette paroi de la chemise doit être maintenue à une température de fonc-35 tionneme.ït acceptable. A cet effet, un agent de refroidis semait 71 36545 2111931 - 3 - aya-t u.ie teaip.5-rature inférieure c celle des c-az de combustion, est introduit clans les canaux. A cause de la céométrie uaique des canaux, c'est-^-dire è cause du ^rand rapport loncueur/rayon hydraulique, les pertes de pression par frotterae.it du coura.it de 5 refroidissement da-is chacun des canaux peuve.it être établies et contrôlées, et par conséquent la température de fonctionnement de la paroi intérieure peut être maintenue à une valeur acceptable. En outre, ceci est réalisé avec une quantité d'acent de refroidissement environ 50% inférieure è celle nécessaire pour d'autres lo brûleurs. Une autre caractéristique de la présente invention estdonnée par le fait que la température de la paroi intérieure peut être maintenue à une valeur uniforme, parce que les canaux s'étendent sur toute la lonnueur de la chemise et parce que le cou-15 rant de refroidissement peut être contrôlé avec précision. Donc les cradients thermiques défavorables et les charcres de contrainte so.it essentiellement éliminés. Des modes de réalisation préférés de la présente invention seront décrits maintenant en se référant aux dessins anne-20 xés, dans lesquels: La Ficure 1 est une coupe partielle d'un équipement de combustion, comprenant une chemise selon la présente invention. La Ficrure 2 est une représentation le long de la ligne 2-2 de la Ficure 1. 25 La Ficrure 3 est une représentation semblable a Fi- aure 2, mais montrant un autre mode de réalisation. La Ficure 4 est une représentation Graphique de la relation entre la température du bruleur, la température de la chemise et la lonaueur des seaments de la chemise. 30 L'invention est représentée dans une chemise pour une chambre de combustion disposée entre un compresseur et une turbine è gaz, dans laquelle du carburant est brûlé avec -.'air comprimé fourni par le compresseur, afin d'obtenir les gaz pour commander la turbine. Un moteur dans lequel cette chambre de combus-35 tion peut être utilisée et décrit p.ex. dans le brevet des Etats 71 36545 2111931 _ 4 - Unis de l'Amérique Jâo. 2 747367. La chambre de combustion peut avoir une forme annulaire, ou peut comprendre plusieurs tubes disposés circulairement. La chambre de combustion avec plusieurs tubes disposés circulaire-5 ment comprend une paroi cylindrique intérieure 16 et une paroi extérieure 17 qui sont attachées aux extrémités avant au diffuseur 18. Un injecteur de combustible 19 pour chaque tube de la chambre de combustion et disposé dans le diffuseur. La chemise 20 tu tube comprend è l'extrémité d'entrée un élément 21 en forme de dôme lo avec une ouverture pour recevoir 1'injecteur de combustible. La combustion se produit à l'intérieur du tube ou de la chemise et les produits de la combustion sont déchargées à travers de l'extrémité arrière ouverte 24 et ilssont dirigés vers la turbine. De l'air comprimé du compresseur est décharcé vers 15 et a travers du cTiffuseur 18 et entre dans la chambre de combustion. Une partie de cet air pénètre dans la chemise 20 ou le tube par un anneau de turbillonnement 26 disposé autour de 1'injecteur et égalemexit à travers plusieurs trous d'alimentation 28 formés dans la chemise. La chemise est formée par plusieurs anneaux ou seg-2o ments 20a, 20b, 20c, 20d, et 20e attachés l'un à l'autre. De l'air de refroidissement coule entre les parois de ces segments pour maintenir la température de la chemise dans les limites. Il est essentiel que la chemise et les éléments structuraux adjacents du moteur sont maintenus à une température de fonctionnement accep-25 table et à cet effet, la chemise 20 comprend une paroi refroidie d'une nouvelle construction. Dans la Figure 2, qui est une coupe a travers un mode de réalisation de la chemise, cette chemise comprend une double épaisseur, et a une paroi intérieure 40 et une paroi extérieure 3o 42 espacée de la paroi intérieure. La paroi intérieure 40 est exposée directement aux aaz de combustion dans la chemise ou dans le tube, et a cause de la température de ces gaz il est nécessaire de refroidir la chemise pour la maintenir a une température de fonctionnement appropriée, afin d'éviter un endommagement de cette 3 5 chemise pendant le fonctionnement du moteur. Des canaux 44 pour CO PY 71 36545 2111931 - 5 - un courait de refroidissement sont formés entre les parois 40 et 42 par des nervures axialles 46 espacées circonférentiellement et s'étexidant vers l'extérieur de la paroi intérieure en contact avec la paroi extérieure: les espaces entre les nervures définissant les canaux pour le coûtant de refroidissement. Tous les seaments 20a, 20b, 20c, 20d et 20e ont une épaisseur double comme décrit ci-avant et l'extrémité arrière 52 de chaque secment est disposée dans l'extrémité avant 54 du sec-ment suivant et est attachée à ce sec/ment suivant. L'arrangement de ces secme.its est tel que l'air de refroidissement entre dans l'extrémité avant des canaux 44 du côté extérieur de la chemise, coule s travers des canaux et est décharce dans l'intérieur de la chemise dans une direction essentiellement parallèle par rapport c la chemise et directement le lonc de celle-ci. Cet arrangement est représenté dans la figure 1 dans laquelle chaque segment de la chemise a une forme lécèrement conique avec une section diminuant de l'extrémité avant vers l'extrémité arrière, de sorte que les seqments différents de la chemise puissant être assemblés d'une façon télescopique. Comme représenté, la paroi intérieure 40 du premier secment de la chemise s'étend au-dessus du bord de' l'élément en forme de dôme 22 et l'extrémité arrière de la paroi extérieure 42 de ce secment de la chemise est placée à l'intérieur de l'extrémité avant de la paroi intérieure 40 du secment suivant de la chemise. En outre, selon la figure 1, la paroi intérieure 40 s'étend vers l'avant au-dels des canaux formés dans ce segment de sorte que cette paroi soit exposée pour permettre la fixation par soudace ou par un autre moyen approprié a l'extrémité de la paroi extérieure du secment adjacent de la chemise. Par conséquent il est apparent que les secments adjacents de la chemise peuvent être attachés l'un s l'autre d'une façon appropriée par soudaoe de la paroi intérieure d'un secment qui recouvre la paroi extérieure d'un autre serment adjacent. Comme représenté dans la figure 1, la longueur des senments de la chemise change en fonction de la température des gaz de combustion a l'intérieur du tube de combustion, de sorte ^OPY, 71 36545 2111931 - 6 - que la température des seaments de la chemise soit maintenue essentiellement constante et n'atteint jamais une valeur supérieure à celle où la chambre t- combustion peut fonctionner d'une façon satisfaisante sans endommager le matériau de la chemise. P.ex. le premier segment peut avoir une longueur de 2 5mm, le second secment peut avoir une loncrueur de 3 5mm et le troisième segment une loncfueur de 37,5mm; et les segments suivants sont plus loncrs, parce que è ce point la température du gaz è l'intérieur du tube de combustion diminue comme représenté et un refroidissement moins important est nécessaire, pour maintenir la température désirée de fonctionnement de la chemise. Dans le mode de réalisation modifié selon la figure 3, les segments de la chemise consistent en une paroi intérieure 60, une paroi parallèle extérieure 62 espacée radiallement de la paroi 60, et une bande ondulée 64 est disposée entre les parois et est reliée e celles-ci pour les maintenir dans la position espacée et pour définir plusieurs passages axiaux 66 espacés circonférentiellement. Pour le tube de combustion représenté avec un diamètre d'environ 165mm le rayon hydraulique de ces passages est 0,25mm. Ces segments d'une double épaisseur sont assemblés d'une façon semblable è ceux représentés dans la figure 1, en effet la paroi extérieure de chaque seameivt s'étend è l'extrémité arrière au-delo des canaux et la paroi intérieure de chaque segment s'étend è l'extrémité avant au-delà.des canaux, afin de former des bords qui se recouvrent dans la position assemblée des segments pour être reliés ensemble. Dans chaque construction, figure 2 ou figure 3 la surface de refroidissement est aucrmentée par l'utilisation des séparateurs entre les canaux pour le courant de refroidissement, et ainsi l'efficacité thermique de la chemise est considérablement augmentée et la quantité nécessaire en air de refroidissement est diminuée. Comme décrit ci-avant, chaque segment peut avoir une forme conique de sorte que quand les segments sont reliés ensemb-s-le, le tube de combustion aura un diamètre constant entre ces extrémités. 71 36545 2111931 - 7 - La figure 4 est une représentation graphique des résultats d'essai avec un tube fabriqué et cette figure représente la variation de la température à l'intérieur du tube et les températures des segments différents de la chemise. Comme représenté, en sélectant la 5 longueur appropriée de la chemise pour obtenir le refroidissement désiré, il était possible de maintenir la température de la chemise au-dessous de 870°C (1600°F), tandis que la température était très haute à l'intérieur du tube de combustion. La chemise du tube du brûleur était construite suivant le mode de réalisation de la lo ficrure 3 et le rayon hydraulique des canaux pour le courant de re froidissement était 0,25mm.. de sorte que le rapport longueur/rayon était hydraulique du premier seoment/100. De cette façon, il est apparent que par sélection des loncrueurs relatives des seqments différents de la chemise le refroidissement le plus important était 15 accompli dans les secrments de la chemise qui étaient soumis à la plus qrande chaleur par les qaz de combustion à l'intérieur de la chemise, et par conséquent la chemise peut être maintenue à des températures appropriées sans tenir compte de la température à l'intérieur de la cnemise. 2o En outre, avec l'augmentation de la longueur des seg ments en fonction de la diminution de la température à l'intérieur du tube, la quantité de l'air de refroidissement peut être diminuée considérablement. En utilisant des canaux avec une section très petite, p.ex. avec un rayon hydraulique entre 0,125mm et 0,56 25 mm le transfert de chaleur peut être amélioré d'une façon impor tante. Avec la diminution de la section des canaux, en augmente la surface des canaux qui est exposée à l'air de refroidissement, et par conséquent on augmente aussi l'effet de refroidissement. L'habilité de refroidir la chemise avec une quantité d'air de re-3o froidissement minimale, est améliorée en augmentant les coeffi cients de transfert de chaleur et e.i aucmentant la surface de refroidissement. Les seaments de la chemiœ s'étendent circulaire-ment et il est évident que les canaux pour le courant de refroidissement s'étendent longitudinalement ou axiallement, et la 35 loncueur de chaque secment détermine la lonaueur des canaux pour 71 36545 2111931 - 8 - le courant de refroidissement dans ce segment. Comme représenté dans la Figure 4, les secrments de la chemise aucmentent en loncrueur vers l'extrémité arrière du tube de combustion, et par conséquent la loncrueur des seaments 5 auamente quand la température à l'intérieur du tube de combustion diminue. La raison essentielle pour ces caractéristiques est de refroidir seulement d'un deqré suffisent pour maintenir la température de la chemise au-dessous des limites de fonctionnement satisfaisantes, cette limite est d'environ 870°C (1600°F) pour lo l'alliage particulier utilisé pour la construction décrite ci- avant. Comme il ressort de la figure 4, l'objet de l'invention a été résolu avec la construction de la chemise suivant cette invention. 1 36S45 2111931 - 9 - 5_*L¥_E JLï: A_ï_î 1. Chemise comprenant plusieurs seoments pour une chambre de combustion, p.ex. dans un moteur s turbine à caz, caractérisé en ce que chaque secment de la chemise comprend une paroi intérieure et une paroi extérieure espacée de la paroi intérieure et définissant des canaux lonaitudinaux pour un courant de refroidissement, en ce que la paroi intérieure de chaque segment est disposée à son extrémité avant autour de l'extrémité arrière de la paroi extérieure du secment précédent, afin de diriger le courant de refroidissement de l'extérieur de la chemise è travers des canaux dans l'intérieur de la chemise, et en ce que la longueur des serments successifs augmente dans la direction du courant avec la diminution de la température ces caz l'intérieur de la chemise. 2. Chemise suivant la revendication 1, caractérisée en ce que un moyen d'espacement est prévu entre les parois et en ce que le moyexi d'espacement maintient les parois da^s la position espacée et forme avec les parois les canaux pour le courant de refroidissement. 3. Chemise suivant la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que les canaux pour le courant de refroidissement ont un rayon hydraulique entre 0,125mm et 0,56mm. 4. Chemise suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les canaux pour le courant de refroidissement ont un rapport loncrueur/rayon hydraulique entre 80 et 42 5.