Brevet FR2185754A1 — publié le 19740104

La présente invention concerne les systèmes de combustion et plus particulièrement les systèmes de combustion incorporés dans les moteurs à turbines à gaz. Un moteur à turbine à gaz comporte un compresseur pour comprimer un courant d'air annulaire. Ce courant d'air sous pression assure ensuite la combustion du carburant dans une zone de combustion pour la production d'un courant de gaz chauds d'une grande énergie. Le courant de gaz chauds fait fonctionner une turbine pour entratner le rotor du compresseur et il est ensuite converti en force motrice, par exemple par échappement à travers une tuyère de propulsion. Les systèmes de combustion du type considéré comportent des chemises pour définir l'étendue dans la direction axiale de la zone de combustion, des dispositifs pour injecter le carburant dans la zone de combustion et des dispositifs pour distribuer l'air sous pression provenant du compresseur et pour l'introduire dans la zone de combustion. Un problème courant avec ce système résulte du fait que des points chauds et/ou des courants chauds sont établis dans la zone de combustion et provoquent des gradients thermiques dans le courant de gaz chauds échappant du système de combustion, ainsi que des gradients thermiques dans les chemises. Les gradients thermiques dans le courant de gaz chauds provoquent des points chauds locaux dans les éléments de la turbine vers lesquels le courant est envoyé. Les gradients thermiques dans les parties mécaniques, c'est-à-dire les chemises et les éléments de la turbine, limitent le niveau d'énergie du courant de gaz chauds parce que les températures limites sont imposées par les températures les plus élevées du métal et non par la température moyenne du métal. De même, des gradients de température raides peuvent provoquer des contraintes thermiques qui réduisent encore la température moyenne de fonctionnement en sécurité et le niveau d'énergie possible pour le courant de gaz chauds. La présente invention a pour objet de réduire les gradients thermiques dans un système de combustion annulaire. Un autre facteur influant sur la forme des systèmes de combustion, en particulier ceux des moteurs à turbines à gaz utilisés pour la propulsion des aéronefs, est le besoin de réduire le poids. Un moyen évident pour réduire le poids est la réduction de la longueur du système de combustion. Cependant, jusqu'ici, cette solution a augmenté les problèmes relatifs aux gradients thermiques. La demanderesse a précédemment décrit une solution approchée efficace pour raccourcir une partie du système de combustion. Plus précisément, ce système comporte une combin i-- son d'injecteurs de carburant qui réduit la longueur de la zone de combustion, et, par suite, réduit la longueur et le poids des chemises délimitant cette zone. L'invention a aussi pour objet de réduire la longueur et le poids d'un système de combustion et, en particulier, d'établir, en combinaison avec les caractéristiques que la demanderesse a précédemment décrites, un système de combustion d'une longueur et d'un poids minimaux dans lequel les gradients thermiques sont minimisés en permettant une augmentation de la température moyenne et du niveau d'énergie du courant de gaz chauds engendré dans le système de combustion. Les caractéristiques principales de l'invention concernent l'envoi d'air sous pression dans une zone de combustion annulaire. L'air sous pression refoulé par le compresseur du moteur est diffusé par un diffuseur court d'un type spécial. Les pertes par séparation et autres dans ce diffuseur sont minimisées par une fausse paroi étroitement espacée du diffuseur et définissant l'extrémité amont de la zone de combustion. Les chemises de la zone de combustion s'étendent en amont de la fausse paroi pour former une chambre annulaire communiquant avec la sortie du diffuseur. La fausse paroi est de préférence sous la forme d'un groupe d'injecteurs, chacun comportant une coupelle divergente débouchant dans la zone de combustion et une plaque de déflexion dépassant de la coupelle. L'air diffusé est régulièrement distribué sur le coté amont de ce groupe et il s'écoule à travers les injecteurs et autour des injecteurs de carburant pour maintenir un front de flammes de faible longueur dans la zone de combustion. Des chambres entourent aussi les chemises. Ces chambres sont mises sous pression par l'échappement de la zone de combustion et l'air est dosé par les orifices des chemises pour maintenir un film d'air de refroidissement le long des surfaces intérieures des chemises. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en élévation avec une partie en coupe d'un moteur à turbines à gaz comportant un système de combustion selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est une coupe longitudinale du système de combustion du moteur de la figure 1, la figure 3 est une coupe suivant la ligne III- III de la figure 2, et la figure 4 est une coupe suivant la ligne EV-IV de la figure 2. Le moteur représenté sur la figure 1 comporte un compressseur à écoulement axial à plusieurs étages 10 qui comprime l'air arrivant à l'entrée 12 située à une extrémité de l'enveloppe 14. L'air sous pression est refoulé par le compresseur dans un système de combustion 16 dans lequel il assure la combustion du carburant pour la production d'un courant de gaz chauds. Une partie de l'énergie du courant de gaz chauds est utilisée pour I'entraenement d'une turbine 18. Les rotors de la turbine 18 et du compresseur 10 sont unis par un arbre 20 pour I'entraînement du compresseur. Le reste de l'énergie récupérable de gaz chauds peut être converti en force de propulsion par échappement à travers la tuyère 22. Les moteurs à turbines à gaz ont de nombreuses formes, et le moteur décrit ci-dessus est donné à titre d'exemple. L'air comprimé est refoulé par le compresseur 10 dans un diffuseur annulaire 26 comportant des parois annulaires 28 et 30 courbes et 'divergentes qui sont unies à leurs extrémités extérieures respectivement à l'enveloppe extérieure 32 et à l'enveloppe intérieure 34. La zone de combustion est définie par les chemises 36 et 38 et par les injecteurs de carburant 40 à l'extrémité amont. Les chemises 36 et 38 sont de préférence formées suivant le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.420.058 avec des parties en gradins 41 traversées par des orifices espacés circulairement 42, ces orifices étant d'une façon générale parallèles à la surface intérieure de la partie de la chemise située en aval ou formant un angle avec cette surface. Les orifices 42 sont étroi tement espacés afin que l'air injecté à travers ces orifices forme des films de refroidissement pratiquement uniformes sur les surfaces intérieures des chemises. Les injecteurs de carburant 40 sont formés de la façon qui a été décrite précédemment par la demanderesse par des coupelles sensiblement hémisphériques 44 débouchant d'une façon sensiblement centrale à travers des plaques de déflexion 46. Les injecteurs 40 sont disposés radialement en groupes de trois répartis circulairement avec les plaques de déflexion 46 formant des segments également espacés les uns des autres et des chemises voisines 36, 38 pour assurer un débit massique uniforme de l'air autour des déflecteurs. Les injecteurs de carburant de chaque groupe sont supportés par des entretoises à profil aérodynamiqUe 48 solidaires des injecteurs. Des passages pour le carburant 52 traversent les entretoises 48 et projettent le carburant tangentiellement dans la partie arrière de chaque coupelle 44. Le carburant est divisé par 1' écoulement tourbillonnaire de l'air arrivant par les fentes tangentielles 50 de chaque coupelle 44, et ensuite par l'écoulement tourbillonnaire de l'air autour des déflecteurs 46.Les tourbillons d'air et le système injecteur multiple établissent un front de flammes très court et stable dans la zone de combustion de la façon décrite plus en détail précédemment par la demanderesse. En considérant à nouveau le diffuseur 26, il sera noté que ses parois courbes divergentes 26 et 28 ont des courbures extrêmes et que sur sa longueur axiale, le rapport entre les sections (section à la sortie/section à ltentrée) est bien supérieur au rapport correspondant du diffuseur habituel du type à fixation sur la paroi. Le diffuseur est plus particulièrement caractérisé par un rapport entre la hauteur efficace h à l'entrée et la longueur axiale 1 (h/l) de 4/1 ou moins et un rapport des sections de 2,5/1 au plus. Le diffuseur décrit permet une régularisation des pressions (correspondant à un rendement élevé) comparable à celle des diffuseurs à divergence classique ayant une longueur axiale bien supérieure. Cette caractéristique est attribuée à la nature en fausse paroi du groupe d'injecteurs de carburant 40 et à la proximité immédiate de ce groupe par rapport à la sortie du diffuseur. L'expression "fausse paroi" est utilisée pour désigner une structure annulaire ayant sensiblement la hauteur de l'échappement du diffuseur et se-trouvant dans un plan général normal à la direction de circulation. de l'air à partir du diffuseur. De plus, les chemises 36 et 38 dépassent en amont de la fausse paroi formée par les plaques de détection 46 pour former une chambre annulaire dont le centre est dans l'alignement de l'axe du diffuseur annulaire 26. Cette disposition fait tourner très efficacement l'air refoulé par le compresseur autour des parois courbes 28 et 30 du diffuseur sans décollement ou avec très peu de décollement. Quand l'air refoulé par le compresseur est ainsi utilisé, sa vitesse est réduite proportionnellement, et est ensuite réduite à nouveau pendant son écoulement dans la chambre annulaire. Cette réduction substantielle de la vitesse de l'air permet une distribution régulière de la pression sur les coztési amont des injecteurs de carburant, avec un minimum de pertes. La distribution régulière de la pression dans la chambre annulaire permet de construire des injecteurs de carburant 40 de tous les groupes avec des formes identiques en permettant des débits massiques égaux d'air vers tous les injecteurs. Avec des débits de carburant égaux vers les injecteurs, les taux de combustion dans les différents injecteurs sont commandés avec précision et régularité dans la zone localisée du front de flammes relativement court immédiatement en aval du groupe d'injecteurs de carburant. Sous ce dernier rapport, il sera noté que pratiquement tout l'air pour le processus de combustion devant avoir lieu dans la zone de combustion de la chambre de combustion est introduit à travers les injecteurs 40 et autour de ces injecteurs. Avec cette distribution égale du débit d'air, la combustion est hautement uniforme dans le sens circonférentiel pour minimiser les gradients thermiques. Ces grad-ients thermiques minimaux permettent de réduire encore la longueur axiale des. chemises qui serait autrement nécessaire pour dissiper ces gradients par mélange, par exemple par addition d'air de dilution à travers les ouvertures de la chemise. L'air est introduit à travers les orifices 42 pour refroidir les chemises 36 et 38 et non pour diluer des bandes chaudes éventuelles du courant de combustion comme c'est --le cas dans les chambres de combustion habituelles. L'air de refroidissement est odosé par les orifices 42 pour établir un film isolant pratique- ment uniforme sur les surfaces intérieures des chemises, ce film étant rétabli par chaque rangée circulaire consécutive d'orifices étroitement espacés. A ce point de vue, il sera noté que les espaces annulaires entre la chemise 36 et l'enveloppe extérieure 32 et entre la chemise 38 et l'enveloppe intérieure 34 forment respecti vement-des chambres avec des pressions-et des vitesses d'écoulement pratiquement uniformes. L'air refoulé par le compresseur s'écoule librement à partir du diffuseur 26 à travers les ouvertures annulaires définies par les bords. amont des chemises 36 et 38, vers ces chambres. Les bords amont des chemises 36 et 38 sont des bords surépaissis 60 pour accélérer l'air et réduire au minimum les pertes résultant des mouvements tournants à l'entrée de l'air de refroidissement dans les c-hambres. Bien qu'il puisse exister d'autres éléments alimentés en air de refroidissement (c'est-à-dire en air refoulé par le compresseur) à partir de ces chambres, les entrées de celles-ci sont suffisantes pour le maintien des distributions égales ou commandées de la pression considérées ci-dessus. Cette relation est importante pour maintenir une distribution uniforme prédéterminée de l'air de refroidissement le long des surfaces intérieures des chemises 36 et 38. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil de combustion pour engendre un courant de gaz chauds par combustion de carburant dans un courant d'air sous pression refoulé par un compresseur, caractérisé par deux chemises formant respectivement la~limite intérieure et la limite extérieure dtune chambre de combustion annulaire, une fausse paroi annulaire aux extrémité amont des chemises, des dispositifs pour injecter le carburant dans la zone de combustion voisine de la fausse paroi, cette fausse paroi comportant des ouvertures régulièrement distribuées pour le passage de l'air sous pression vers la zone de combustion et un diffuseur annulaire communiquant à son extrémité amont avec le refoulement du compresseur et comportant des parois courbes divergentes pour établir un courant d'air haute pression à vitesse faible distribué sur le côté amont de la fausse paroi pour le passage de l'air dans la zone de combustion. t 2. Appareil de combustion selon la revendication 1 caractérisé par une chambre annulaire formée en amont de la fausse paroi, cette chambre annulaire communiquant avec la sortie du diffuseur. 3. Appareil de combustion selon la revendication 2 caractérisé par des chambres recevant l'air sous pression refeulé par les compresseurs et entourant les chemises, les chemises ayant des ouvertures pour diriger de l'air de refroidissement le long des surfaces intérieures des chemises. 4. Appareil de combustion selon la revendication 2 caractérisé en ce que la hauteur à l'entrée du diffuseur annulaire et la longueur axiale du diffuseur est au plus égale à 4/1 environ et le rapport des sections de passages du diffuseur est au plus égal à 2,5/1 environ. 5. Appareil de combustion selon la revendication 2 caractérisé en ce que la fausse paroi est formée par un certain nombre d'injecteurs de carburant espacés radialement et circulairement, chaque injecteur comportant une coupelle débouchant vers la zone de combustion et une plaque dépassant à l'extérieur de la coupelle, les plaques des injecteurs étant espacées les unes des autres et des chemises voisines pour établir des ouvertures pour le passage de l'air sous pression vers la zone de combustiMn, chaque injecteur comportant de plus un passage pour l'introduc- tion du carburant dans la coupelle et des fentes tangentielles dans la coupelle pour l'introduction d'air sous pression supplémentaire dans la zone de combustion. 6. Appareil de combustion selon la revendication 5 caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur à l'entrée du diffuseur et la longueur axiale du diffuseur ne dépasse pas environ 4/1 et le rapport des sections de passage du diffuseur est au plus de 2,5/1 environ. 7. Appareil de combustion selon la revendication 6 caractérisé par des enveloppes espacées respectivement des surfaces extérieures des chemises pour former des chambres, les chemises s'étendant en amont des plaques des injecteurs pour former la chambre annulaire communiquant avec la sortie du diffuseur, les bords amont des chemises étant espacés du diffuseur pour définir les entrées vers les chambres entourant les chemises, et les chemises comportant les ouvertures pour l'envoi d'air de refroidissement le long des surfaces intérieures des chemises. 8. Appareil de combustion selon la revendication 7 caractérisé en ce que les entrées des chambres entourant les chemises ont la forme de tuyères pour accélérer l'air pénétrant dans ces chambres et par suite pour minimiser les pertes à l'entrée. 9. Appareil de combustion selon la revendication 8 caractérisé en ce que les chemises comportent les parties circulaires en gradins sur leur longueur, les ouvertures des chemises étant des trous traversant ces gradins pour diriger l'air de refroidissement le long des surfaces intérieures des chemises immédiatement en aval des gradins des chemises.