Brevet FR2479901A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne des garnitures intérieure% de chambres de combustion pour des turbines à gaz et, en particulier, une structure à écoulement en contre-courant/parallèle à laquelle est intégrée une pa- roi "flottante". Dans certains types de turbines à gaz, par exem- ple, le modèle "TF-30" fabriqué par le "Pratt and Whitney Aircraft Group of United Technologies Corporation" qui est la Demanderesse de la présente, on utilise le maté- riau vendu sous la marque commerciale déposée "Finwall" comme matériau de base pour la fabrication de la paroi formant garniture intérieure. Pour de plus amples dé- tails concernant ce matériau "Finwall", on se référera à la description de la turbine "TF-30" dont question ci- dessus, ainsi qu'au brevet des Etats-Unis d'Amérique 3.706.203 accordé le 19 décembre 1972 aux noms de P. Goldberg et I. Segalman. Pour les besoins de la présente description, il suffit de mentionner que le ma- tériau "Finwall" est constitué de deux parois espacées formées dans des corps cylindriques et qui sont assem- blées à recouvrement pour définir des ouîes et former ainsi la chambre de combustion. Les deux parois mutuel- lement associées et parallèles sont disposées à la ma- nière d'une grille et sont réunies l'une à l'autre en définissant conjointement plusieurs passages longitudi- naux à extrémités ouvertes. En raison de la structure à ouïes, l'extrémité d'amont reçoit l'air de refroidisse- ment provenant de l'espace environnant et le décharge des passages dans la chambre de combustion à l'extrémité d'aval. Les sections à ouîes successives captent et dé- chargent l'air de refroidissement de la même manière. Dans la demande de brevet précitée, on modifie la garniture intérieure fabriquée selon le système "Fin- wall" en prévoyant des ouvertures d'admission entre les extrémités du matériau "Finwall" et en acheminant l'air de refroidissement en une relation d'écoulement en con- 24799C1 tre-courant/parallèle par rapport aux produits de com- bustion. Ce système sert non seulement à améliorer le gradient de température dans les directions longitudi- nale et radiale, mais il permet également d'espacer les segments dans la mesure o la pellicule d'air de re- froidissement déchargé refroidit les zones de transi- tion. La Demanderesse a constaté que l'on pouvait non seulement tirer profit des caractéristiques de refroi- dissement mentionnées ci-dessus, mais que l'on pouvait également prolonger davantage la durée de-vie de la gar- niture intérieure en ne fixant pas la paroi plus chaude de cette dernière à la paroi plus froide,- de telle sorte qu'elle puisse flotter. On obtient un refroidissement plus intense en prolongeant l'extrémité d'aval de la paroi flottante afin de définir une lèvre et rétablir ainsi une pellicule d'air de-refroidissement afin d'as- surer un meilleur refroidissement pelliculaire de la section de transition. Dans le cadre de la présente in- vention, on envisage de segmenter la paroi chaude de la garniture intérieure à la fois dans le sens axial et le sens circonférentiel. Les segments axiaux sont espacés l'un de l'autre d'une distance suffisante pour que la pellicule d'air assure un refroidissement adéquat de l'espace ménagé entre eux, tandis que l'espace ménagé entre les segments dans le sens circonférentiel permet une dilatation circonférentielle. La dilatation circon- férentielle annule tout risque de dilatation radiale, elle minimise les contraintes thermiques préjudiciables et elle maintient un calme relatif dans les passages d'écoulement d'air de refroidissement. Chaque segment peut être assujetti à la paroi froide par un système à écrouset boulonsconçu pour engendrer un minimum de con- traintes. Un objet de la présente invention est de fournir, pour un groupe propulseur à turbine à gaz, une garniture intérieure perfectionnée pour la chambre de combustion de cette turbine. Une caractéristique de l'invention consiste à prévoir, en guise de paroi chaude, un organe annulaire segmentaire dans lequel sont définis des passages lon- gitudinaux libres et espacés parallèlement, de telle sorte que la paroi chaude puisse se dilater thermiquement par rapport à la paroi plus froide sans engendrer des contraintes excessives et en annulant par conséquent toute possibi- lité d'antagonisme thermique entre les deux parois. Une autre caractéristique de la présente inven- tion consiste à prolonger l'extrémité d'aval de la pa- roi chaude de la garniture par rapport au courant des produits de combustion afin de définir une lèvre desti- née à rétablir une pellicule d'air de refroidissement et améliorer ainsi le refroidissement des zones de transition. Une autre caractéristique encore de la présente invention consiste à utïliser des tubes disposés judi- cieusement dans les zones de transition pour l'air de dilution et de combustion. Un segment annulaire situé dans le côté chaud de l'extrémité d'aval d'un de ces tubes peut être prolongé pour définir une lèvre destinée à former une pellicule d'air de refroidissement et amé- liorer ainsi le refroidissement. La garniture intérieure de chambre de combustion perfectionnée de l'invention est caractérisée par une longévité accrue sans augmentation de poids et de com- plexité, son coût de fabrication étant même réduit com- parativement à celui des garnitures intérieures connues jusqu'à présent. D'autres caractéristiques et avantages apparai- 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 partielle en coupe il- lustrant les détails de la garniture intérieure de cham- bre de combustion de la présente invention; la figure 2 est une coupe prise suivant la li- gne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue par le dessous partiel- lement élaguée illustrant la disposition des trous d'air de dilution et de combustion; et la figure 4 est une vue partielle en coupe il- lustrant une autre forme de réalisation dans laquelle on utilise des ailettes pour définir les passages de refroidissement longitudinaux. Ainsi qu'on l'envisage dans le cadre de la pré- sente invention et comme il apparaîtra de toute évidence à l'homme de métier, la garniture intérieure conçue sui- vant l'invention peut être utilisée dans une chambre de combustion cylindrique et/ou annulaire. Pour de plus amples détails relatifs à des chambres de combustion dans lesquelles on utilise le matériau "Finwall" pour la garniture intérieure, on se référera à la turbine -"TF-30" dont question ci-dessus. Comme le montrent les figures 1-3, la garniture intérieure désignée d'une manière générale par le chif- fre de référence 10 comprend une paroi annulaire exté- rieure 1-2 dont la configuration est étudiée pour définir la chambre de combustion 14 dans laquelle a lieu la com- bustion. Comme le montrent ces figures, les gaz de com- bustion circulent dans la direction indiquée par des flè- ches. Comme on peut le constater, la paroi extérieure généralement cylindrique est constituée de sections co- niques disposées en gradins pour définir des ouîes ainsi qu'on le décrira ci-après plus en détail. Suivant la présente invention, plusieurs parois segmentaires annulaires espacées radialement 16 sont as- sujetties librement à la paroi extérieure 12 et chacun des segments 16 ainsi définis supporte plusieurs parois -2479901 18 espacées longitudinalement et s'étendant radialement en direction du diamètre intérieur'de la paroi extérieu- re 12, mais sans y être fixées. Ces parois 18 définis- sent des passages longitudinaux 20 qui s'étendent dans le sens d'écoulement des gaz chauds à l'intérieur de la chambre de combustion. Ainsi qu'on le comprendra d'après la descrip- tion ci-dessus, l'air de refroidissement (déchargé du compresseur) provenant de la cavité entourant la garni- ture intérieure 12 pénètre dans plusieurs ouvertures d'admission 22 et plusieurs rainures circonférentielles 23 situées entre les extrémités des passages longitudi- naux 20 et faisant office de collecteur d'air de refroi- dissement, de telle sorte qu'une partie de cet air pé- nètre dans les passages longitudinaux 20 en contre-cou- rant par rapport à l'écoulement des gaz de combustion chauds, tandis qu'une autre partie pénètze dans ces passages 20 parallèlement à ces gaz de combustion. L'air de refroi- dissement circulant dans ces passages capte efficacement la chaleur par convection et est ensuite déchargé dans les zones de transition situées en amont et en aval pour y effectuer un refroidissement pelliculaire. Afin d'améliorer ce refroidissement pelliculai- re, la paroi intérieure est prolongée, à l'extrémité d'aval, au-delà des passages longitudinaux 20, de façon à définir une lèvre 24. En conséquence, le courant de décharge se présente sous la forme d'une pellicule afin d'assurer un refroidissement pelliculaire efficace zone de transition adjacente. Comme.on peut le constater en suivant le sens d'écoulement indiqué par les flèches, l'air de refroi- dissement quittant les passages de refroidissement lon- gitudinaux 20 forme une pellicule protectrice le long des surfaces de transition. En raison du milieu ambiant hostile, la pellicule d'air déchargée à l'extrémité d'aval des passages 20 se dissipe sur une distance rela- tivement courte. Afin de maintenir la pellicule sur une distance aussi grande que possible de la longueur axiale de la garniture intérieure et par-dessus la sur- face inférieure de la paroi chaude de cette dernière, l'air déchargé en amont à l'extrémité d'amont du pas- sage se mélange avec l'air déchargé de l'extrémité d'aval dans les limites de la lèvre 24 en rétablissant la pellicule, formant ainsi une pellicule protectrice en dessous de la surface de la paroi chaude 16 de la garniture intérieure. Afin que la paroi intérieure 16 et les parois longitudinales 18 qui y sont associées, ne puissent ve- nir appuyer contre la paroi extérieure 22 lors de la déformation et de la dilatation thermiques, il est pré- férable que les parois chaudes de la garniture intérieu- re soient segmentées dans le sens circonférentiel. Dès lors, comme le montre la figure 3, les parois intérieu- res 16 de la garniture sont espacées circonférentielle- ment autour de la paroi extérieure 12 de cette garnitu- re en assurant, autour de celle-ci, un échange de cha- leur par convection grâce à un écoulement parallèle-et en contre-courant de l'air de refroidissement par rap- port aux produits de combustion. La paroi intérieure 16 de la garniture est main- tenue librement par un nombre approprié d'éléments de fixation pouvant avoir n'importe quelle forme bien con- nue. Dans la forme de réalisation illustrée, chaque panneau est assujetti en place au moyen de quatre assem- blages à écrous et boulons 30. Le boulon ou le goujon 32 est encastré dans la paroi chaude 16 et s'étend à travers une ouverture complémentaire 34 pratiquée dans la paroi plus froide 12. Le diamètre de cette ouverture 34 est supérieur à celui de la tige du goujon 32 afin de permettre la dilatation thermique circonférentielle. Une rondelle 38 est intercalée entrée la paroi 12 et un écrou indesserrable approprié 40 disponible dans le com- 247990 1 merce. Cet écrou peut être soudé par points à l'ex- trémité du boulon 32 comme indiqué en 42. Une des zones critiques de la garniture intérieu- re o il risque d'y avoir une importante concentration de contraintes, se situe aux emplacements des trous d'air de dilution et de combustion. Dans la forme de réalisation préférée de la présente invention, on envi- sage de localiser ces trous dans les zones de transi- tion de la garniture intérieure comme illustré en figu- re 3. Afin d'assurer un refroidissement efficace sans perturber la vitesse de l'air de refroidissement dans les passages longitudinaux situés dans le parcours de ces trous, un tube 50 est introduit dans chacun de ces derniers, de telle sorte qu'il s'étende dans la chambre de combustion 14. Ce tube peut être soudé par points à la paroi froide 12 de la garniture intérieure comme indiqué par le cordon de soudure 52. Afin d'améliorer davantage le refroidissement, une lèvre 54 est formée sur le segment d'aval du tube 50, de telle sorte que l'air sortant de l'extrémité d'amont du passage longi- tudinal 20 vienne heurter la paroi latérale du tube 50 et soit dévié dans la direction indiquée par la flèche en rétablissant une pellicule, formant ainsi une pelli- cule protectrice d'air de refroidissement sur la partie de la surface inférieure de la paroi 16 qui est située à proximité de ce tube. La figure 4 illustre un exemple de construction d'une paroi flottante dans laquelle on utilise des ailet- tes définissant les passages longitudinaux en lieu et place de parois associées. Comme le montre cette figure, dans laquelle les mêmes chiffres de référence désignent des pièces identiques, les ailettes 55 sont soudées par points à la surface extérieure de la paroi chaude 16 de la garniture intérieure (comme indiqué en 56) en étant espacées de la paroi 12. Le bord des ailettes 55 qui est adjacent aux segments 16, s'étend par-dessus l'espa- ce ménagé entre ces derniers, sans être fixé. De la sorte, les parois peuvent subir une dilatation thermique sans engendrer des contraintes exagérées. Grâce à la paroi flottante décrite ci-dessus et aux améliorations précitées apportées à l'efficacité du refroidissement, il a été démontré par analyse que la durée de vie d'une garniture intérieure conçue suivant la présente invention pouvait être pratiquement quadru- plée. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation particulières illustrées et décrites ici, diverses modifications pouvant y être ap- portées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nouveau concept-tel qu'il est défini par les revendica- tions ci-après. REVENDICATIONS 1. Garniture intérieure de chambre de combus- tion pour une turbine à gaz comportant un compresseur, caractérisée en ce qu'elle comprend une paroi extérieu- re ayant une configuration généralement cylindrique dé- finissant une zone de combustion, des éléments annulai- res segmentaires disposés concentriquement et espacés axialement à partir desquels des doigts s'étendent lon- gitudinalement vers, mais légèrement à l'écart de la paroi extérieure en définissant une paroi intérieure par rapport à la zone de combustion, ces doigts définis- sant des passages longitudinaux à extrémités ouvertes qui circonscrivent la paroi extérieure, une admission par laquelle de l'air de refroidissement est acheminé du compresseur entre les extrémités des passages longi- tudinaux, de telle sorte qu'une partie de cet air s'écoule en contrecourant par rapport à l'écoulement des produits de combustion et que le reste de cet air s'écoule parallèlement à ces derniers, ainsi que des éléments permettant un montage flottant de la paroi in- térieure qui peut ainsi se déplacer concentriquement par rapport à la paroi extérieure, de façon à minimiser les contraintes thermiques engendrées au cours de l'allumage ayant lieu dans la chambre de combustion, ces éléments comprenant des éléments de fixation s'étendant à partir de la paroi intérieure et passant à travers la paroi ex- térieure. 2. Garniture intérieure de chambre de combustion suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les doigts des éléments annulaires segmentaires s'étendent à une courte distance de l'extrémité d'aval de la paroi intérieure afin de définir une lèvre destinée à rétablir une pellicule d'air plus froid à la sortie des passages longitudinaux. 3. Garniture intérieure de chambre de combustion suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la garniture intérieure cylindrique est constituée de sec- tions coniques disposées en gradins et s'étendant entre les parois intérieures segmentaires de la garniture,tan- dis que la lèvre s'étend dans ces parties coniques. 4. Garniture intérieure de chambre de combus- tion suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les courants d'air de refroidissement déchargés d'élé- ments annulaires segmentaires adjacents se mélangent à la lèvre précitée afin de rétablir une pellicule d'air pour le refroidissement de l'espace compris entre des segments annulaires adjacents. 5. Garniture intérieure de chambre-de combus- tion suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des trous d'air de combustion et de di- lution situés dans les parties coniques de cette garni- ture. 6. Chambre de combustion suivant la revendica- tion 5, caractérisée en ce que, à au moins un des trous d'air de combustion ou de dilution, est associé un or- gane tubulaire fixé à la paroi extérieure et s'étendant dans la zone de combustion, tandis qu'un rebord s'étend généralement parallèlement à la paroi extérieure sur l'extrémité d'aval de cet organe tubulaire qu'il circons- crit sur la moitié de sa circonférence en vue de définir une lèvre destinée à rétablir une pellicule d'air froid sortant des passages longitudinaux de l'élément annulai- re d'aval adjacent à ce tube, via un espace défini entre ces derniers. 7. Garniture intérieure de chambre de combus- tion pour un groupe propulseur du type à turbine, carac- térisée en ce qu'elle comprend une première paroi géné- ralement cylindrique ayant une configuration étudiée pour confiner la combustion, plusieurs secondes parois segmentaires généralement concentriques et espacées axialement disposées radialement vers l'intérieur par rapport au diamètre intérieur de la première paroi, des parois espacées s'étendant vers l'intérieur et à une courte distance de la première paroi par rapport au diamètre extérieur des secondes parois, en définissant des passages longitudinaux, des ouvertures étant ména- gées dans la première paroi entre les extrémités d'amont et d'aval de chacune des secondes parois afin d'achemi- ner une partie de l'air de refroidissement provenant d'une cavité entourant la première paroi, en contre- courant par rapport à l'écoulement des produits de com- bustion, et une autre partie de cet air, en un écoule- ment parallèle à ce dernier, ainsi que des éléments grâce auxquels les secondes parois peuvent prendre appui sur la première paroi en une 'ralation de flottement,de telle sorte qu'elles puissent se déplacer par rapport à celle-ci en engen- drant un minimum de contraintes thermiques qui sont ab- sorbées principalement par ces éléments supports. 8. Garniture intérieure de chambre de combus- tion suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend également au moins un élément de fixa- tion comportant une tige s'étendant à partir de chaque seconde paroi et passant à travers une ouverture ména- gée dans la première paroi, cette ouverture ayant un diamètre supérieur à celui de la tige afin que celle-ci puisse y effectuer un mouvement circonférentiel, ainsi qu'un élément destiné à assujettir cet élément de fixa- tion en lui permettant de subir une dilatation thermi- que circonférentielle sans engendrer une contrainte d'une paroi à l'autre 9. Garniture intérieure de chambre de combus- tion suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la paroi cylindrique est constituée de parties coniques disposées en gradins et s'étendant entre des segments espacés axialement.