Brevet FR2123034A1 — publié le 19720908

i 2123034 La présente invention concerne d'une manière générale les chemises pour zones de combustion d'un turboréacteur et plus précisément une disposition permettant d'accroître la résistance structurelle et d'améliorer le refroidissement 5 de telles chemises. En général, les turboréacteurs à double flux dont la poussée est accrue par post-combustion comportent un mélangeur monté en amont d'une tuyère de post-combustion à chemise refroidie. Le mélangeur permet l'entrée du flux de gaz chaud du 10 turboréacteur central et du flux d'air froid de la soufflante dans la tuyère de post-combustion par une série de secteurs circonférentiels dans lesquels circulent alternativement les gaz chauds et les gaz froids pour réaliser le mélange sur une longueur axiale courte. Ces secteurs de gaz chauds et de gaz 15 froids engendrent des gradients circonférentiels de température très importants dans l'épaisseur de la chemise refroidie entraînant des déformations et notamment des flambages mécaniques de cette dernière. Ce problème peut être résolu en utilisant une chemise ondulée circonférentiellement, ce qui réduit l'ef-20 fet des contraintes. Il est également avantageux d'avoir des ondulations relativement hautes pour rendre la chemise sensiblement autoporteuse et réduire en conséquence les supports structurels nécessaires. Cependant/ des ondulations hautes provoquent des zones de turbulences locales qui entraînent 25 l'accrochage des flammes sur chaque sommet des ondulations qui sont soumises à un échauffement exagéré. Le refroidissement classique de la chemise par conve x ion ne permet pas de résoudre matériellement ce problème. La présente invention a donc pour objet une chemise 30 refroidie pour zone de combustion permettant de réduire les niveauxde contrainte dus aux forts gradients circonférentiels de température, qui soit sensiblement autoporteuse et qui évite l'apparition de points d'échauffement exagéré tout en permettant un bon rendement de combustion. 35 Selon une caractéristique essentielle de la présente 69 09920 2 2123034 invention, une chemise ondulée circonférentlellement pour canal de post-combustion comporte des fentes de refroidissement débouchant au sommet de chacune des ondulations dirigées radlalement vers l'intérieur. Cette disposition des fentes de refroidissement 5 permet de diriger une nappe d'air froid sur l'intérieur de la chemise afin d'empêcher l'accrochage des flammes et par conséquent l'échauffement exagéré des sommets des ondulations. Cette disposition permet, de plus, de réduire sensiblement l'angle maximal de tangence à chaque ondulation pour un rapport 10 donné entre le pas et la hauteur de l'ondulation, car chaque ondulation ne s'étend que du sommet situé radialement à l'extérieur à une position adjacente au bord extérieur de la fente. XJn angle de tangence réduit permet de diminuer la tendance qu'ont les ondulations à provoquer une turbulence et à un accro-15 chage des flammes en aval de leurs sommets. Selon son aspect le plus général, la présente invention concerne une chemisé pour une zone de combustion d'une turbine à gaz comportant un canal extérieur, une chemise sensiblement cylindrique disposée à l'intérieur du canal et déli-20 mitant un passage de refroidissement entre sa surface extérieure et le dit canal, un dispositif provoquant l'écoulement d'un flux d'air froid sous pression dans le dit passage et un dispositif engendrant un flux de gaz capable d'entretenir la combustion à l'intérieur de la dite chemise qui comporte une 2 5 série d'ondulations circonférentielles sensiblement continues, des fentes de refroidissement étant pratiquées au niveau des sommets des ondulations dirigées radialement vers l'intérieur pour laisser passer depuis le passage de refroidissement un çourant d'air froid sur la surface interne de la chemise. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à l'aide de la description qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale schématique d'un turboréacteur à double flux dont la tuyère de post-combustion 69 09920 3 2123034 est équipée de la chemise de la présente invention; - la figure 2 est une coupe axiale de la tuyère de post-combustion du turbdréacteur de la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale suivant la 5 ligne 3-3 de la figure 2 représentant le mélangeur de flux gazeux; et, - la figure 4 est une coupe longitudinale agrandie d'une partie de la tuyère de post-combustion avec sa chemise refroidie. 10 La figure 1 illustre en coupe axiale schématique un turboréacteur 10 à double flux et post-combustion. Les éléments principaux du moteur 10 sont une soufflante 12, un compresseur haute pression 14, un ensemble de chambres de combustion 16, une turbine haute pression 18, une turbine basse pression 20, 15 un dispositif de post-combustion 22 et une tuyère d'éjection 24. Le rotor 12a de la soufflante est entraîné par le rotor 20a de la turbine basse pression par l'intermédiaire d'un arbre intérieur 26. Le rotor 14a du compresseur haute pression est entraîné par le rotor l8a de la turbine haute pression par 20 un arbre extérieur 28. En fonctionnement, l'air pénétrant daôs la prise d'air du moteur est quelque peu comprimé par la soufflante 12. Cet air comprimé est ensuite divisé en deux flux, l'un circulant dans un conduit annulaire de dérivation 30 et l'autre pénétrant 25 dams la prise d'air du compresseur haute pression 14. L'air sortant du compresseur haute pression est mélangé au carburant dans les chambres 16, puis allumé et éjecté tout d'abord dans la turbine haute pression l8, puis dans la turbine basse pression 20 pour entraîner les.rotors l8a et 20a de ces deux tur-30 bines. Lorsque la post-combustion 22 est en fonctionnement, de l'air est injecté aux gaz d'échappement de la turbine basse-pression par une série de barres d'injection J2, allumé par un dispositif 34 et mélangé au niveau d'un mélangeur 36 avec l'air relativement froid circulant dans le conduit extérieur 35 de dérivation 30. Le mélange des flux chaud et froid améliore 69 09920 4 2123034 l'efficacité de la combustion. Le mélange gazeux résultant circule ensuite à travers un conduit 42 pour être éjecté dans l'atmosphère par une tuyère 24 qui est de préférence du type à section variable. Le conduit 42 est protégé contre 5 l'action des gaz chauds de la post-combustion par une chemise 38 qui est refroidie par une partie de l'air de dérivation circulant dans un passage de refroidissement 40 délimité par la chemise 38 et le conduit 42. La présente invention concerne plus particulièrement 10 la partie 22 de la post-combustion du moteur 10 qui est illustrée en détail à la figure 2. Le mélangeur 36 décrit plus haut a une forme et une position telles que le mélange des gaz chauds s'échappant de la turbine avec l'air relativement froid propulsé par la soufflante 12 dans le conduit 30, soit 15 total. Le mélangeur 36 a généralement en coupe la forme d'un serpentin, comme illustré à la figure 3, pour délimiter des secteurs d'admission 36a, 36b alternativement ouverts vers l'intérieur et vers l'extérieur. Les secteurs extérieurs 36a communiquent avec l'air froid de dérivation, alors que les 20 secteurs Intérieurs 36b communiquent avec les gaz d'échappement chauds de la turbine de manière à constituer des flux alternativement chauds et froids réalisant un bon mélange sur une distance axiale courte. Les gaz sortant du mélangeur 36 circulent à l'inté-25 rieur de la chemise sensiblement cylindrique 38 de la post-combustion. Comme illustré à la figure 4, la surface externe de la chemise 38 est refroidie par convection par le flux d'air relativement froid circulant dans le passage 40 délimité par la chemise 38 et le conduit 42. La chemise 58 est ondulée 30 pour améliorer sa résistance structurelle, comme on le verra par la suite. Sur chacun des sommets 38a des ondulations dirigées radialement vers l'intérieur de la chemise 38 sont prévues des fentes 44 permettant de diriger une partie de l'air froid du passage 40 sur la surface intérieure de la chemise J>8 pour 35 éviter un échauffement exagéré de celle-ci par un phénomène 69 09920 5 2123034 de couche limite froide. Les fentes 44 peuvent être obtenues en réalisant la chemige 38 en plusieurs sections annulaires ayant la forme ondulée voulue et en fixant les parties de ces sections qui 5 se chevauchent par une bande ondulée 46. La bande 46 est une bande métallique dont les ondulations sont alternativement fixées aux surfaces intérieures et extérieures des sections adjacentes de chemise. La forme de la chemise 38 peut s'exprimer au moyen 10 de trois paramètres : le pas des ondulations P, qui est la distance axiale de deux sommets correspondants; la hauteur H, qui est la distance radiale d'un sommet au sommet opposé; et l'angle de tangence ©, mesuré entre la pente maximale des ondulations et une direction parallèle à l'axe du réacteur, 15 comme illustré à la figure 4. Un certain nombre de facteurs entrent en ligne pour déterminer la forme particulière des ondulations de la chemise. Le premier de ces facteurs est l'établissement de contraintes dues au fort gradient thermique circonférentiel pro-20 voqué par l'alternance des secteurs chaud et froid à la sortie du mélangeur 36. Dans ces conditions, la partie de la chemise qui est baignée dans le flux chaud tend à se dilater considérablement plus que la partie qui est baignée dans le flux froid, engendrant, dans son épaisseur une série d'efforts alter-25 nativement de compression et de traction. Pendant le fonctionnement- de la post-combustion, la chemise qui est relativement mince principalement à cause de la limitation du poids, peut devenir élastiquement instable et présenter un flambage plastique. Même s'il était possible de rendre la chemise suffisam-30 ment épaisse pour éviter le flambage, les niveaux de contraintes seraient probablement suffisamment élevés pour provoquer des criques et des fissures dues à la fatigue cyclique. L'expérience a montré qu'une chemise ondulée permet d'éviter à la fois la flambage et les ruptures à la fatigue. Le rapport entre le 35 pas et la hauteur, P/H, permettant d'éviter les déformations 69 09920 6 2123034 mécaniques mentionnées ci-dessus, a été fixé expérimentalement au voisinage de 30 ou 40. Il va de soi que des rapports P/H plus petits permettent également de satisfaire les conditions de résistance structurelle mentionnées plus haut, mais provo-5 quent des pertes excessives par frottement et accroissent les besoins en air de refroidissement. Un second facteur déterminant pour la structure de la chemise est la nécessité que cette dernière soit sensiblement autoporteuse pour résister à la pression d'écrasement 10 exercée par le fluide de refroidissement, ce qui permet avantageusement de réduire le nombre des points de support séparés de la chemise. Cette chemise est nécessairement soumise à une pression d'écrasement car l'air de refroidissement circulant sur sa surface extérieure doit être à une pression supérieure 15 à celle des gaz de combustion pour assurer l'écoulement voulu par les fentes de la chemise. Jusqu'ici, les chemises qui n'étaient pas ondulées étstent maintenues en un grand nombre de points circonférentiels et axiaux par des entretoises. Bien que l'accroissement de la hauteur des ondulations rende la 20 chemise plus rigide, l'expérimentation a montré que les valeurs optimales du rapport P/H correspondant à l'absorption des dilatations thermiques fournissaient également une résistance structurelle suffisante au flambage. Le troisième facteur, qui est une conséquence des 25 deux premiers, concerne l'écoulement aérodynamique dans le passage 40 délimité par la chemise 38 et le conduit 42. Il est souhaitable que l'air circule dans le passage 40 à une vitesse suffisamment élevée pour un refroidissement optimal de la surface extérieure de la chemise par convexion. Ceci 30 nécessite que l'intervalle entre la chemise et la paroi du conduit soit aussi réduit que possible. Cependant, lorsque la paroi de la chemise 38 est proche de celle du conduit 42, plus les ondulations sont prononcées (c'est-à-dire plus l'angle 6 est grand), plus la turbulence et les pertes par frot-35 tement dans le fluide sont importantes. Généralement, plus le 69 09920 7 2123034 rapport pas-hauteur, P/H, est réduit , plus la baisse de rendement est sensible. Sous cet aspect, il estcbne intéressant que le rapport P/H soit aussi grand que possible. Pour un bon rendement de combustion et de bonne per-5 formance thermique de l'ensemble, le carburant de post-combustion doit être réparti et brûlé uniformément à l'intérieur de la chemise. Il est donc avantageux que la combustion ait lieu aussi près que possible de cette dernière. Cependant, les ondulations de la chemise.provoquent des zones turbulentes 10 localisées sur sa surface interne qui produisent fréquemment des accrochages de flamme au voisinage du sommet de chaque ondulation dirigée radialement vers l'intérieur, entraînant un échauffement localisé de 3a chemise. Le refroidissement classique par convexion de l'intérieur de la chemise n'est 15 pas suffisant pour éliminer cet inconvénient. Par contre, dans la présente invention, une couche d'air froid s'échappant des fentes des sommets des ondulations dirigées vers l'intérieur baigne la surface interne de la chemise avec l'air froid du passage 40. Cette disposition forme une couche limite d'air 20 relativement froid sur la surface interne de la chemise 38 permettant la combustion du carburant à proximité immédiate de cette dernière pour améliorer le rendement thermique tout en évitant les échauffements localisés. Un autre avantage de la chemise ondulée à fentes de 25 la présente invention réside dans le fait que l'angle 6 maximal de chaque pente est réduit par la disposition des fentes sur les sommets de chaque ondulation dirigée vers l'intérieur. Ceci est dû au fait que la forme de la chemise ne relie que le sommet extérieur d'une ondulation à la surface extérieure de la fente 30 au lieu du sommet intérieur de l'ondulation suivante. Ainsi, la partie de chaque ondulation qui est adjacente et en aval de la fente a une hauteur équivalente à sa hauteur initiale de sommet à sommet moins la hauteur de la fente. Par exemple, pour une hauteur d'ondulation de 3 mm, la 35 hauteur de fente peut être de 1,5 mm (soit 0,75 mm de hauteur 69 09920 8 2123034 effective de fente plus 0,75 mm constituant l'épaisseur de la bande 46 qui sert à délimiter la fente). Cette configuration réduit de 50# la hauteur effective d'ondulation, ce qui multiplie par 2 le rapport P/H et réduit sensiblement de moitié 5 l'angle 6. Cet avantage est Important car plus l'angle 6 est réduit, moins l'écoulement de gaz est turbulent autour des ondulations. Il est souhaitable d'éviter les écoulements turbulents à la fois sur la surface extérieure de la chemise délimitant le passage 40 pour éviter une perte de vitesse du 10 fluide qui y circule, et sur la surface interne des ondulations pour éviter les points d'accrochage de flammes et les échauffements localisés. En pratique, une hauteur totale de fente supérieure à environ 25# de la hauteur des ondulations permet un fonctionnement satisfaisant de la chemise refroidie. 15 Une autre importante particularité de l'invention réside dans le fait que la couche d'air soufflée bien que permettant l'emploi d'une chemise ondulée avec ses avantages corollaires, ne nécessite pas une quantité supplémentaire d'air pour le refroidissement du canal de post-combustion. Le système 20 de fentes de soufflage d'air décrit ci-dessus permet, avec des chemises dont les rapports P/H d'ondulations sont compris entre environ 10/1 et 40/1, de ne pas consommer plus d'air que pour le refroidissement d'une chemise lisse par les procédés classiques tels que convexion ou couche limite. Le refroidissement 25 n'implique donc pas une baisse du rendement global du moteur. Le rapport P/H particulier adapté à une application particulière dépend de l'importance relative que l'on attribue à chacun des facteurs mentionnés plus haut. Lorsque le support de la chemise de post-combustion est un problème mineur, par 30 exemple dans le cas d'un canal court ou orientable, il est possible de placer l'accent sur la réduction des pertes dues à l'écoulement du fluide de refroidissement dans le passage 40 entre la chemise et le conduit. Dans de tels cas, les ondulations de la chemise peuvent être relativement peu profondes, 35 ce qui correspond à un rapport P/H compris entre environ 40/1 69 09920 a 2123034 et 20/1. Dans d'autres cas où le support structurel de la chemise de post-combustion a une importance plus grande que les pertes dans le passage 40, notamment dans les moteurs 5 à forte poussée impliquant des chemises de post-combustion de grande dimension, les ondulations peuvent être quelque peu plus profondes, correspondant par exemple à un rapport P/H compris entre 20/1 et 10/1. La présente invention est décrite plus particulière-10 ment dans le cas de l'augmentation de poussée sur un turboréacteur à double flux, mais peut être facilement adaptée à la post-combustion ou même aux chambres de combustion de n'importe quel type de turbine à gaz. Lorsque la présente invention est appliquée à une chambre de combustion, il est 15 à noter que le problème du flambage plastique associé au fort gradient circonférentiel de température ne se pose généralement pas. Cependant, le refroidissement et la rigidité de la chemise deviennent les facteurs majeurs à considérer pour la détermination de la configuration structurelle particulière 20 d'une telle chambre de combustion. On voit donc que la chemise selon la présente invention est destinée aux zones de combustion, particulièrement aux zones de post-combustion,d'une turbine à gaz. Cette chemise est légère et résiste aux contraintes de flambage pro-25 voquées par les forts gradients circonférentiels de température, tout en étant sensiblement autoporteuse et suffisamment refroidie intérieurement et extérieurement pour éliminer toute rupture due à un échauffement localisé. 30 35 69 0992Ô 10 2123034 REVENDICATIONS I 1 - Chemise de combustion pour une turbine à gaz comportant un conduit extérieur à l'intérieur duquel est disposée la chemise de forme sensiblement cylindrique qui 5 délimite en coopération avec le dit conduit un passage de fluide de refroidissement, un dispositif assurant un écoulement de fluide de refroidissement comprimé dans le passage et un dispositif assurant l'introduction d'un flux de gaz entretenant la combustion à l'intérieur de la dite che-10 mise qui est caractérisée par une série d'ondulations circon-férentielles sensiblement continues et des dispositifs de refroidissement par couches d'air disposés sur les sommets des ondulations situées radialement à l'intérieur de la chemise pour diriger sur la surface interne de celle-ci une 15 couche d'air de refroidissement venant du passage extérieur. 2 - Chemise selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport du pas à la profondeur des ondulations est compris entre 40/1 et 10/1. 3 - Chemise selon la revendication 2, caractérisée 20 en ce que la zone de combustion est un canal de post-combustion dans lequel la combustion est entretenue par les gaz chauds s'échappant de la turbine, et en ce qu'un dispositif mélangeur est monté à l'extrémité amont de la chemise pour mélanger une partie de l'air de refroidissement avec les gaz 25 chauds s'échappant de la turbine. 4 - Chemise selon la revendication 3, caractérisée en ce que les dispositifs de refroidissement par couches d'air sont constitués par une bande ondulée placée circonfé-rentiellement entre des parties de deux sections de chemises 30 se recouvrant axialement au niveau des sommets de leurs ondulations dirigées radialement vers l'intérieur. 5 - Chemise selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rapport du pas à la profondeur des dites ondulations est compris entre 40/1 et 20/1. 35 6 - Chemise selon la revendication 4, caractérisée 69 09920 ii 2123034 en ceique le rapport entre le pas et la profondeur des dites ondulations est compris entre 20/1 et 10/1. 7 - Chemise selon la revendication 4, caractérisée en ce que la hauteur totale des fentes des dispositifs de refroidissement par couches d'air est au moins égale à 25# de la profondeur des dites ondulations.