Brevet FR2479952A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne des turbines à gaz et, en particulier, le guide prévu pour étanchéifier l'injecteur de carburant à l'extrémité avant d'une cham- bre de combustion annulaire. 5 De façon bien connue dans la technique des tur- bines à gaz, la durabilité des éléments constitutifs d'une turbine de ce type est d'une importance primordia- le et, bien entendu, plus la durée de vie d'un de ces éléments est longue, plus la durée de mise en service de 10 la turbine est prolongée sans devoir envisager la mise hors service coûteuse de l'aéronef qui est nécessaire pour procéder à la réparation ou au remplacement de ces éléments. En conséquence, une préoccupation constante est d'élaborer des éléments pouvant résister au milieu 15 ambiant hostile auquel ils sont exposés. Comme on peut s'y attendre, une zone particulièrement sujette aux perturbations se situe dans la chambre de combustion et, plus précisément, à l'endroit o les injecteurs de car- burant sont fixés à la garniture intérieure de la cham- 20 bre de combustion. La structure de guidage et d'étan- chéité qui supporte l'injecteur de carburant à l'extré- mité avant de la chambre de combustion annulaireest sou- mise à des contraintes thermiques excessivement importan- tes et a posé jusqu'à présent un problème d'entretien. 25 En raison des problèmes énoncés ci-dessus, la durée de vie des éléments précités n'est pas aussi longue qu'on le souhaiterait. A cet égard, la Demanderesse a constaté que l'on pouvait conférer, aux éléments de guidage et d'étanchéi- 30 té d'un injecteur de carburant, une durée de vie supé- rieure à celle pouvant être obtenue jusqu'à présent en réalisant le joint d'étanchéité et l'écran thermique d'une seule pièce avec le guide d'injecteur de carburant et en définissant un élément annulaire à section trans- 35 versale en U qui circonscrit la garniture intérieure de la chambre de combustion en permettant un mouvement rela- 2479952 2 tif entre l'injecteur de carburant et la chambre de com- bustion. Une branche de cet élément en U fait office d'écran thermique, tandis que son autre branche sert à supporter le guide d'injecteur de carburant vis-à-vis 5 de la garniture intérieure. Des trous sont pratiqués dans la base de l'élément en U pour acheminer de l'air de refroidissement de telle sorte qu'il refroidisse con- tinuellement l'écran thermique et l'injecteur de carbu- rant. Des pattes disposées sur la surface intérieure de 10 l'écran thermique empêchent ce dernier de se replier et de bloquer l'écoulement. Des ouvertures ménagées à des endroits distincts entre l'injecteur de carburant et le guide de ce dernier servent à supprimer tout vide ou poche de confinement de 15 flamme dans la zone adjacente à l'injecteur et au support de ce dernier qui est tourné vers la zone de combustion, évitant ainsi que se créent des points chauds localisés. Un objet de la présente invention est de fournir une structure de guidage et d'étanchéité d'injecteur de 20 carburant perfectionnée pour une chambre de combustion annulaire d'une turbine à gaz. Parmi les caractéristi- ques prévues par la présente invention, on mentionnera: 1) Un joint d'étanchéité à l'air prévu entre l'in- jecteur de carburant et l'extrémité avant de la chambre 25 de combustion et permettant un mouvement relatif entre l'injecteur de carburant et cette dernière. 2) Une efficacité de refroidissement constante quelle que soit la position du dispositif d'étanchéité (guide d'injecteur) et de l'injecteur par rapport à la 30 chambre de combustion. 3) Une combustion aérodynamique constante quelle que soit la position de l'injecteur de carburant et de son guide par rapport à la chambre de combustion. 4) L'absence de confinement de la flamme à proximité 35 du joint flottant d'étanchéité à l'air par suppression de tout vi- de ou poche pouvant faire office d'élément de confinement 2479952 3 de flamme en donnant ainsi lieu à la fusion et à la des- truction du joint flottant d'étanchéité à l'air. D'autres caractéristiques et avantages apparaî- tront à la lecture de la description et des revendica- 5 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 partielle en partie en élévation'et en partie schématique illustrant la struc- 10 ture de la présente invention; la figure 2 est une vue en bout de la figure 1, cette vue illustrant les éléments essentiels de la pré- sente invention; la figure 3 est une vue en coupe prise suivant 15 la ligne 3-3 de la figure 2; et la figure 4 est une vue en coupe prise suivant la ligne 4-4 de la figure 2. Comme le montrent plus clairement les figures 1-4, l'invention consiste en une structure flottante de 20 soutien et de guidage combinés 10 pour l'injecteur de carburant 12 dont elle assure l'étanchéité et qui est monté à l'extrémité avant de la chambre de combustion annulaire 14. La chambre de combustion 14 est constituée d'une garniture annulaire intérieure à ouïes 18 et d'une 25 garniture annulaire extérieure également à ouïes 16 qui sont réunies l'une à l'autre,à l'extrémité avant, par un élément en forme de dôme 20 délimitant la zone de combustion. Ce dôme 20 comporte plusieurs ouvertures espacées circonférentiellement pour recevoir un nombre 30 égal d'injecteurs de carburant, ainsi que la structure de soutien et d'étanchéité qui y est associée. Une cloison usinée 22 est soudée par rapprochement (comme in- diqué en 24) au dôme 20 à l'emplacement des ouvertures qui y sont découpées, de façon à supporter le guide d'injecteur de carburant 10. 2479952 4 Le guide d'injecteur de carburant 10 comporte une bride annulaire solidaire 26 et enferme la cloison usinée 22 comme le montrent les dessins. Une deuxième bride annulaire 28 est soudée par rapprochement au gui- 5 de d'injecteur de carburant 10 le long du cordon de sou- dure 30. La face avant de la cloison usinée 22 est fixée contre la face arrière de la bride annulaire 26 au moyen de deux étriers en H 32. Ce système sert non 10 seulement à assujettir le guide d'injecteur de carbu- rant, mais également à empêcher un écoulement d'air in- controlé entre la bride du guide d'injecteur de carbu- rant et la cloison 22. Les étriers en H 32 qui sont soudés à la face 15 de la bride 26, enferment le guide d'injecteur de carbu- rant 10 et la cloison 22. Des rainures 36 pratiquées dans la cloison 22 permettent, au guide d'injecteur de carburant, de flotter radialement et circonférentielle- ment, mais elles l'empêchent de se déplacer axialement. 20 Comme on peut le constater en figure 1, de l'air de refroidissement (en l'occurrence l'air déchargé du compresseur) pénètre dans l'enveloppe délimitant la cham- bre de combustion, via l'espace entourant l'injecteur de carburant 12. La bride annulaire 28 et-le guide d'in- 25 jecteur de carburant 10 définissent un espace 40 en vue de diriger le courant d'air à travers des ouvertures 42 et 44 ménagées dans la cloison 22. Cet espace sert à assurer un refroidissement par impact de l'écran thermi- que formé par la bride 28, ainsi qu'à diriger le courant 30 d'air radialement vers l'extérieur afin de minimiser l'impact que ce dernier pourrait exercer, dans d'autres conditions, sur les caractéristiques aérodynamiques de l'écoulement d'air tourbillonnaire habituellement associé à l'injecteur de carburant et ce, quelle que soit la po- 35 sition qu'occupe le guide flottant par rapport aux trous d'air de refroidissement 42 et 44. De plus, la stoechio- 2479952 5 métrie à proximité de la sortie de l'injecteur de car- burant reste inchangée quelle que soit la position des trous 42 et 44 par rapport à cet injecteur. Les trous 42 et 44 sont judicieusement localisés et 5 de dimensions discrètes afin de remplir la fonction dé- crite ci-après. Les trous de refroidissement axiaux 44 espacés circonférentiellement autour de la paroi arrière 48 de la cloison 22 ont des dimensions calculées de telle sor- 10 te qu'une quantité réglée d'air de refroidissement puis- se venir heurter la bride annulaire 28 et être ensuite déviée radialement vers l'extérieur dans l'espace 50 e' afin d'assurer un refroidissement pelliculaire de la surface intérieure du dôme 20 de la chambre de combus15 tion. Les trous de refroidissement radiaux 42 espacés circonférentiellement dans la paroi inférieure de la cloison en U 22 ont des dimensions calculées de façon à accroître le débit d'air à la sortie des trous de re- 20 froidissement 44. Les trous 42 ont des dimensions calculées sélectivement pour débiter une quantité d'air supplémentaire dans le but de renforcer le refroidisse- ment pelliculaire dans une direction radiale sur les segments définis par les flèches 52 et 54 et qui représentent la partie du joint d'étanchéité o la surface à refroidir est la plus grande. Comme on le constate d'après la description ci- dessus, grâce aux caractéristiques de flottement de cet assemblage, le guide d'injecteur de carburant 10 peut se 30 déplacer radialement dans l'une ou l'autre direction (vers le haut ou vers le bas en se référant à la figure 1), si bien qu'il peut venir appuyer contre le fond de la cloison en U 22. Dès lors, dans le cas extrême o le guide occupe cette position au fond de la cloison, l'air 35 ne peut plus passer par les trous 42. En conséquence, il est évident que l'espace 50 sert à régler le débit 2479952 6 d'air froid à la sortie des trous 42. La fermeture des trous ayant lieu lorsque le guide vient appuyer au fond de la cloison en U coîncide avec une réduction de surfa- ce sur le côté du dôme de la chambre de combustion, 5 évitant ainsi un refroidissement excessif de cette sur- face. Afin qu'il n'y ait aucune zone de stagnation fa- vorisant un confinement non souhaité de la flamme à pro- ximité de l'endroit o le carburant sort des injecteurs 10 dans la zone de combustion, on prévoit plusieurs rainu- res 60, lesquelles empêchent la flamme non souhaitée de provoquer un échauffement localisé des surfaces métalli- ques proches, ce qui aurait pour effet d'altérer la longévité ou l'intégrité thermique -de ces dernières. L'air de re- 15 froidissement provenant du compresseur et pénétrant dans l'espace entourant l'injecteur de carburant passe à travers ces rainures 60 qui sont orientées angulairement par rapport à l'axe du guide d'injecteur de carbu- rantlO.L'angle formé par ces rainures est sélectionné de 20 façon à imprimer un mouvement tourbillonnaire à l'air de refroidissement à mesure qu'il sort de ces dernières et pénètre dans la zone de combustion, minimisant ainsi son impact sur le tourbillon d'air créé à l'injecteur de carburant. 25 Plusieurs pièces d'écartement 62 montées circon- férentiellement sont fixées à la paroi de la bride annu- laire 28 afin d'empêcher une fermeture de l'espace libre 50 pouvant résulter d'une déformation thermique de cette bride, assurant ainsi un refroidissement pelliculaire 30 continu du côté du dôme qui est tourné vers la chambre de combustion. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation particulières illustrées et dé- crites ici, diverses modifications pouvant être envisa35 gées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nou- veau concept tels qu'ils sont définis par les revendica- tions ci-après. 2479952 7 REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion annulaire pour une turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une paroi intérieure de garnissage cylindrique et une paroi extérieure de garnissage disposée concentriquement au- 5 tour de la paroi intérieure pour définir, entre elles, une chambre dans laquelle a lieu la combustion, un élé- ment en forme de dôme reliant la paroi intérieure et la paroi extérieure l'une à l'autre à l'extrémité avant en fermant hermétiquement cette dernière, plusieurs élé- 10 ments de guidage et d'étanchéité d'injecteurs de carbu- rant supportés dans un nombre correspondant de trous espacés circonférentiellement dans cet élément en forme de dôme, une cloison de forme généralement annulaire et à section transversale en U circonscrivant les trous 15 précités et comportant une bride, chacun de ces éléments de guidage et d'étanchéité d'injecteurs de carburant com- portant un manchon passant à travers une ouverture centrale de la cloison en supportant l'injecteur conçu pour acheminer le carburant dans la chambre de combus- 20 tion, ainsi qu'une bride s'étendant vers l'avant et ve- nant buter contre la face avant de la bride de la cloi- son, un élément annulaire disposé parallèlement à, mais espacé de la cloison en étant monté in situ sur l'extré- mité du manchon qui est éloignée de la bride de ce der- 25 nier, de façon à enfermer la cloison, un étrier supporté rigidement sur la face avant de la bride du manchon avec possibilité de coulisser par rapport à la bride de la cloison afin de permettre un mouvement radial et circon- férentiel de l'élément de guidage et d'étanchéité d'in- 30 jecteur de carburant, ainsi que des rainures pratiquées dans le manchon à proximité de l'injecteur de carburant dans le but d'acheminer l'air de l'extérieur de la cham- bre de combustion pour qu'il circonscrive l'injecteur de carburant à l'intérieur de cette dernière en empêchant 35 ainsi un confinement de la flamme. 2479952 8 2. Chambre de combustion annulaire pour une turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément destiné à refroidir l'élément annulaire, la base de la cloison en U étant 5 espacée du manchon, tandis que l'élément annulaire est espacé de la cloison pour définir un espace libre, des ouvertures étant pratiquées dans la cloison pour achemi- ner l'air froid de l'extérieur de la chambre de combus- tion et le faire passer à travers cet espace libre de 10 telle sorte qu'il vienne heurter l'élément annulaire en formant ainsi, dans cet espace, une pellicule d'air qui est déchargé dans la chambre de combustion. 3. Chambre de combustion annulaire pour une turbine à gaz suivant la revendication 2, caractérisée 15 en ce que des pattes espacées circonférentiellement sont supportées par l'élément annulaire disposé à proximité de la cloison. 4. Chambre de combustion annulaire pour une turbine à gaz suivant la revendication 3, caractérisée 20 en ce que l'étrier est constitué d'un élément en H dont une branche est assujettie à la face de la bride du manchon, la traverse de ce H étant montée pour coulis- ser dans une rainure pratiquée dans la bride de la cloison, tandis que l'autre branche du H s'étend au-delà 25 de la bride de la cloison en vue de limiter le mouvement de l'élément de guidage et d'étanchéité d'injecteur de carburant.