Brevet FR2479951A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne des garnitures intérieures de chambres de combustion pour des turbines à gaz et, en particulier, des garnitures intérieures fabriquées en un matériau vendu sous la marque commer- ciale déposée "Finwall". La présente invention constitue un perfectionne- ment vis-à-vis des configurations de garnitures inté- rieures décrites dans les brevets des Etats-Unis d'Amé- rique No 3.706.203 accordé le 19 décembre 1972 aux noms de P. Goldberg et I. Segalman et No 4.132.066 accordé le 2 janvier 1979 aux noms de G. W. Austin, Jr., R. A. Breton, J. J. Nolan et E. E. Striebel, tous deux cédés à la Demanderesse. La garniture intérieure décrite dans ces deux brevets est un exemple d'une structure couram- ment utilisée, par exemple, dans la turbine "TF-30" fa- briquée par le "Pratt and Whitney Aircraft Group of United Technologies Corporation, ces brevets sont men- tionnés ici à titre de référence et l'on s'y reportera pour de plus amples détails concernant la construction de garnitures intérieures réalisées en matériau "Finwall". Il suffit de mentionner que le matériau "Finwall" est constitué fondamentalement de panneaux en deux ou trois pièces comportant une paroi intérieure et une paroi ex- térieure espacées radialement, entre lesquelles est in- tercalée une troisième paroi radiale ou enveloppe ondu- lée définissant plusieurs passages de part en part. Spé- cifiquement, les panneaux sont réunis à leurs extrémités contiguës en une structure du type à oules afin de former la garniture intérieure définissant la chambre de combus- tion, tandis que les passages de part en part sont orien- tés parallèlement au sens d'écoulement des produits de combustion dans cette chambre. En raison de la structure à ouïes, les panneaux sont mutuellement espacés radiale- ment, si bien que leur extrémité d'amont est exposée à l'air de refroidissement provenant du compresseur. En conséquence, l'air de refroidissement pénètre dans les passages à leur extrémité d'amont et il en est déchargé à leur extrémité d'aval; en outre, comme illustré dans le diagramme de la figure 4 du brevet précité des Etats- Unis d'Amérique 3.706.203, le gradient de température dans le sens axial de la plupart des panneaux varie con- sidérablement et peut être aussi élevé que 260-3160C. Des différences de température de cette ampleur altèrent la durabilité et la longévité de la garniture intérieure, tout en exerçant une influence défavorable sur l'inter- valle de temps dans lequel celle-ci doit être remplacée. Il importe de noter que, dans la garniture inté- rieure du type décrit ci-dessus et réalisée antérieure- ment, chaque panneau est fabriqué de telle sorte que l'admission prévue dans un panneau soit située pratique- ment dans le plan de la sortie prévue dans le panneau immédiatement adjacent. Dès lors, pour remplacer un pan- neau, il est nécessaire d'effectuer un soudage à travers le matériau "Finwall" et, dans l'état actuel des techni- ques de soudage, ce remplacement exige un soudage par faisceau électronique. En outre, dans la structure connue jusqu'à pré- sent, les trous prévus pour l'air de combustion et de di- lution doivent passer à travers le matériau "Finwall", ce qui nécessite l'utilisation de bagues dans les trous d'air de dilution pour assurer la continuité des passages d'air de refroidissement en amont et en aval. Il en résulte non seulement une plus grande complexité dans la fabrication, mais également la nécessité de pré- voir un moyen permettant d'éviter que les passages d'air de refroidissement situés en aval ne soient privés d'air de refroidissement en donnant ainsi lieu à des problèmes d'échauffement localisé. Par exemple, dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique 4.132.066, on décrit un moyen destiné à résoudre ces problèmes, ce moyen con- sistant à ménager, dans la paroi de la garniture inté- rieure, une ouverture d'aval par laquelle de l'air plus froid peut pénétrer en contre-courant et en parallèle par rapport à l'écoulement de l'air de combustion, per- mettant ainsi une réadmission d'air plus froid à l'ex- trémité d'aval de la bague. La Demanderesse a constaté que l'on pouvait évi- ter les problèmes énoncés ci-dessus et fabriquer une garniture intérieure de chambre de combustion réalisée en majeure partie en matériau "Finwall", la garniture intérieure ainsi obtenue ayant-une plus longue durée de vie utile comparativement aux garnitures fabriquées jus- qu'à présent, comme l'ont démontré des essais réels ef- fectués dans les mêmes conditions opératoires que celles adoptées pour ces dernières. La Demanderesse a constaté que l'on pouvait maintenir une température pratiquement constante sur la longueur axiale des panneaux en faisant pénétrer de l'air de refroidissement à des endroits dis- tincts situés entre les extrémités des panneaux en maté- riau "Finwall", de telle sorte qu'une partie de cet air circule dans le passage en contre-courant et en parallèle par rapport à l'air de combustion. L'impact de l'air dé- chargé de panneaux adjacents a lieu d'une manière prédé- terminée afin d'exercer un effet de refroidissement pel- liculaire contrôlé dans l'espace compris entre des pan- neaux "Finwall" adjacents, ce qui améliore également la durabilité de la garniture. La Demanderesse a constaté que cette garniture intérieure constituée de panneaux permettait de réduire les gradients de température non seulement dans le sens axial, mais également dans le sens radial de ces panneaux avec, pour conséquence, une réduc- tion de la température d'ensemble de la garniture. Grâce à l'utilisation de panneaux "Finwall" es- pacés axialement, le remplacement de ces panneaux est fa- cilité, étant donné que l'on peut enlever un de ces der- niers en le découpant à des intervalles espacés et en introduisant, dans l'ouverture ainsi définie, un nouveau panneau de configuration annulaire que l'on soude en pla- 247, 951 ce par fusion, évitant ainsi de devoir faire appel au soudage par faisceau électronique plus complexe et fréquemment indisponible qui pourrait être nécessaire dans une construction à plusieurs parois du type uti- lisé jusqu'à présent. Etant donné que les trous pour l'air de dilu- tion et de combustion peuvent être pratiqués dans les sections de transition ou les tronçons espacés de la garniture, on pourrait éviter l'utilisation de ba- gues et les problèmes que posent ces dernières. La présente invention apporte un perfectionne- ment aux garnitures intérieures de chambres de combus- tion pour turbines à gaz. Selon une caractéristique de la présente inven- tion, on prévoit des garnitures intérieures de chambres de combustion fabriquées à partir de panneaux "Finwall" espacés axialement et dont l'admission pour l'air de refroidissement est localisée de façon distincte entre les extrémités d'amont et d'aval afin d'acheminer l'air de refroidissement dans plusieurs passages et permettre ainsi l'écoulement d'une partie de cet air en contre- courant et en parallèle par rapport au sens d'écoulement des produits de combustion. Les panneaux sont suffisam- ment espacés l'un de l'autre pour que la zone de transi- tion soit refroidie par une pellicule d'air provenant de chaque panneau adjacent. L'écartement entre les pan- neau est calculé pour ménager un espace suffisant en vue du découpage des panneaux pour leur remplacement. La garniture intérieure perfectionnée de la pré- sente invention se caractérise par un entretien aisé et une durabilité accrue. D'autres caractéristiques et avantages apparal- tront à la lecture de la description et des revendica- tions ci-après, en se référant aux dessins annexés qui illustrent une forme de réalisation de l'invention; dans ces dessins: la figure 1 est une vue en coupe partielle illustrant une partie de la garnuture intérieure de chambre de combustion; la figure 2 est une vue en coupe partielle pri- se suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue partielle en perspective qui est élaguée pour montrer la paroi inférieure, vu de la paroi supérieure; la figure 4 est une vue en coupe partielle illustrant une partie d'une autre forme de réalisation de la garniture intérieure de chambre de combustion; et la figure 5 est une vue en coupe prise suivant la ligne 5-5 de la figure 4. Comme le montrent les figures 1-3, les garnitu- res intérieures de brûleurs réalisées en matériau "Finwall" comprennent une paroi intérieure 10 qui est exposée aux gaz de combustion chauds circulant dans la zone de combustion dans la direction indiquée, ainsi qu'une paroi extérieure 12 espacée radialement de cette paroi intérieure 10. Evidemment, chacune de ces parois est constituée d'une section circulaire afin de définir la zone de combustion. La configuration particulière dépendra de l'utilisation finale envisagée, par exemple, en tant que brûleur cylindrique et/ou brûleur annulaire. Dans sa forme de réalisation préférée, la paroi inté- rieure 10 est une bande relativement étroite comparative- ment à la paroi extérieure 12 qui peut être une feuille unique façonnée pour définir l'enveloppe générale de la garniture intérieure de brûleur. Entre la paroi inté- rieure 10 et la paroi extérieure 12, sont intercalées des parois associées 14 espacées circonférentiellement et définissant plusieurs passages ou canaux à extrémités ou- vertes 16 s'étendant axialement par rapport au sens d'écoulement des gaz de combustion. Etant donné que les brûleurs ou les chambres de combustion pour moteurs à réaction sont bien connus et 2479d951 que les configurations particulières des zones de com- bustion ne sont pas essentielles pour la compréhension de la présente invention, pour des raisons de commodité et de simplicité, on n'en donnera pas ici une descrip- tion détaillée et, pour de plus amples détails, il sera fait référence aux brevets cités précédemment. Il suffit de mentionner que plusieurs segments espacés axialement renferment plusieurs passages -ou canaux axiaux à extrémi- tés ouvertes 16 qui sont espacés autour de la circonfé- rence de la garniture intérieure. Chacun de ces seg- ments est constitué d'une paroi intérieure 10, d'ailet- tes ou de parois associées 14, ainsi que de la partie sous-jacente de la paroi extérieure 12. Les positions de la paroi intérieure et de la paroi extérieure sont établies par rapport à la ligne centrale (non représen- tée) de la garniture intérieure. Comme le montre la figure 1, à la partie de tran- sition 20 entre les sections en matériau "Finwall", la paroi extérieure 12 peut être coudée afin de former en quelque sorte une structure du type à ouïes. Pour simplifier la fabrication, la paroi extérieure peut être réalisée au départ d'un matériau plat auquel peu- vent être réunies la paroi intérieure et ses parois as- sociéess l'assemblage ainsi obtenu pouvant être ensuite cintré et plié à la configuration définitive. L'air de refroidissement déchargé du compresseur circule autour de la garniture intérieure du brûleur de façon bien connue. Suivant la présente invention, cet air de refroidissement pénètre dans les passages de re- froidissement de la garniture intérieure via plusieurs ouvertures 22. Il peut être souhaitable de découper une partie des parois associées 14 afin de définir une cham- bre annulaire destinée à assurer une bonne répartition de l'air de refroidissement dans tous les passages. Com- me le montre la figure 1, l'air de refroidissement est dirigé pour s'écouler à la fois vers l'amont et vers l'aval, parallèlement à l'écoulement des gaz de combus- tion, une partie de cet air circulant en contre-courant par rapport à ces gaz. La hauteur, la largeur et la longueur des passages sont sélectionnées de telle sorte que l'air de refroidissement y circule à une vitesse suffisante pour assurer un refroidissement optimum par convection tout en conférant, à l'air de refroidisse- ment déchargé, une composante de vitesse suffisante pour permettre un refroidissement pelliculaire de la zone de transition adjacente 20. Ainsi qu'on l'a mentionné pré- cédemment, le sens d'écoulement des courants d'air de refroidissement déchargésdes passages est étudié de tel- le sorte que, au départ de panneaux adjacents, ces cou- rants entrent mutuellement en contact. La direction et la force de l'air ainsi déchargé sont sélectionnées pour assurer un refroidissement supplémentaire en raison du sens dans lequel circule le courant d'air de refroidisse- ment résultant ou fusionné. Les considérations relati- ves à la conception du système dans le but de tirer pro- fit de ces effets de refroidissement rentrent dans le domaine de la technologie dont question ici. Bien que ces considérations puissent faire l'objet d'une analyse par ordinateur, pour déterminer la configuration optimum, on peut adopter une méthode d'expérimentation systémati- que. Dès lors, bien que l'ouverture d'admission d'air de refroidissement 22 soit située entre les extrémités de décharge des passages 16, on a constaté que l'emplace- ment optimum de cette ouverture était quelque peu diffé- rent du point médian. La figure 4 illustre une garniture intérieure d'une conception semblableà celle représentée dans les figures 1-3, dans laquelle le coude prévu dans la paroi extérieure ou paroi froide est supprimé. Dans ce cas, une rainure pratiquée dans la paroi intérieure 10' dé- charge l'air de refroidissement circulant en contre- courant, perpendiculairement à l'écoulement des gaz de combustion du brûleur via l'ouverture 26. A tous autres égards, la garniture intérieure est identique. Il est à noter que la troisième tôle ondulée 30 définissant les canaux à extrémités ouvertes 32 comme le montre la figure 5, illustre cette structure connue en matériau "Finwall". Dès lors, cette t8le 30 est intercalée entre la paroi extérieure 12' et la paroi intérieure 10'. Parmi les avantages qu'offre la garniture inté- rieure réalisée de la manière décrite ci-dessus, on men- tionnera Meilleure durabilité résultant de la réduction des gradients de température dans les panneaux à la fois dans le sens radial et le sens axial, conjointement avec une réduction de la température d'ensemble. Facilité des réparations: les panneaux défectueux peuvent être remplacés en introduisant des panneaux an- nulaires entre des sections de transition et en les sou- dant en place par fusion, évitant ainsi de devoir faire appel à un soudage par faisceau électronique qui est caractéristique des systèmes de refroidissement par con- vection à plusieurs parois de la technique antérieure. Aménagement aisé des trous d'air de combustion/ dilution: les trous d'air de combustion peuvent être ménagés dans la section de transition, ce qui évite l'utilisation de bagues comme c'est spécifiquement le cas dans d'autres systèmes de refroidissement par convec- tion de garnitures intérieures à plusieurs parois. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation particulières illustrées et dé- crites ici, diverses modifications pouvant être envisa- gées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nou- veau concept tel qu'il est défini par les revendications ci-après. 247595 1 REVENDICATIONS 1. Garniture intérieure de chambre de combustion pour une turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle com- prend une paroi extérieure dont la configuration généra- le épouse celle de la chambre de combustion, plusieurs parois intérieures montées circonférentiellement face aux produits de combustion et disposées radialement par rapport à la paroi extérieure, des éléments de jonction disposés entre les parois intérieures et la paroi extérieure en définissant des canaux généralement longitudinaux à ex- trémités ouvertes pratiquement en alignement avec l'écou- lement des produits de combustion dans la chambre de com- bustion, les parois intérieures et la paroi extérieure définissant, conjointement avec les éléments de jonction qui y sont intercalés, un segment de la garniture inté- rieure, les segments ainsi définis étant mutuellement es- pacés axialement pour définir une zone de transition, ainsi que des ouvertures ménagées dans la paroi extérieu- re entre les extrémités de chaque segment de la garnitu- re en vue d'acheminer l'air plus froid du compresseur dans l'espace entourant la garniture à l'intérieur des canaux à extrémités ouvertes, de telle sorte qu'une partie de l'air plus froid circule en contre-courant par rapport à l'écoulement des produits de combustion et que le reste de cet air circule dans la même direction que ces der- niers, l'air plus froid déchargé dans l'extrémité d'amont des canaux à extrémités ouvertes venant se mélanger avec le courant d'air plus froid déchargé de l'extrémité d'aval des canaux à extrémités ouvertes du segment d'amont immédiatement adjacent, le courant d'air plus froid circulant dans ces canaux assurant un refroidisse- ment par convection des parois de la garniture intérieu- re, tandis que le courant d'air plus froid déchargé des canaux à extrémités ouvertes assure un refroidissement pelliculaire de la paroi extérieure aux zones de transi- tion. 2. Garniture intérieure suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la zone de transition est suffisamment large pour pouvoir découper le seg- ment et le remplacer par un nouveau qui est soudé en place sans être altéré par des segments adjacents. 3. Garniture intérieure suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les éléments de jonc- tion sont constitués d'ailettes sous forme d'ondula- tions intercalées entre les parois intérieures et la paroi extérieure. 4. Garniture intérieure suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les éléments de jonc- tion sont constitués de parois associées espacées paral- lement et s'étendant à partir d'une des parois intérieu- res ou de la paroi extérieure. 5. Garniture intérieure suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la paroi extérieure com- porte, à la zone de transition, des gradins destinés à définir une garniture intérieure ayant une configuration générale à ouîes.