Brevet FR2498252A1 — publié le 19820723

La présente invention concerne des chambres de combustion pour des turbines à gaz et, en particu- lier, des systèmes de refroidissement pour des chemises intérieures de chambres de combustion du type à ouïes. En raison du milieu ambiant hostile auquel elle est soumise, la chemise intérieure de la chambre de combustion d'une turbine à gaz pose un des problèmes d'entretien les plus sérieux d'une turbine de ce type. De façon bien connue dans la technique, de nombreux sys- tèmes ont été utilisés pour refroidir cette chemise in- térieure dans le but d'accroître sa durabilité et de réduire sa tendance à la formation de fissures dues aux contraintes thermiques importantes auxquelles elle est soumise. L'état actuel de la technique est illustré en particulier par l'appareil décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3.978.662 accordé aux noms de T. L. DuBell, T. C. Campbell et J. L. Thompson le 7 sep- tembre 1976 et No 4.077.205 accordé à F. C. Pane et D. Sepulveda le 7 mars 1978, au nom de la "United Technologies Corporation". Dans ces deux brevets, on représente essentiel- lement des systèmes de refroidissement pour des chemises intérieures du type à ouîes, le premier de ces brevets concernant une ouîe usinée, tandis que le second con- cerne un élément en tôle métallique. Dans chaque cas, l'ouîe comporte une lèvre s'étendant par-dessus la fente qui donne lieu à la formation ou à la coalescence d'une pellicule d'air de refroidissement adhérant à la paroi de la chemise intérieure en vue de constituer une bar- rière de refroidissement pour la paroi de la chambre de combustion. Evidemment, le système de refroidissement est avantageusement conçu de telle sorte que cette pelli- cule se propage en aval sur la distance maximum. Dès lors, tout accroissement survenant dans l'expansion de la pellicule ayant subi une coalescence est bénéfique pour la durabilité de la chemise intérieure. Par exemple, dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique No 4.077. 205, des ondulations ou des supports sont prévus à proximité de la lèvre pour empêcher celle-ci de s'affaisser complètement. La structure décrite dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique 3.978.662 est conçue de façon à ménager des entrées d'air de refroidissement mon- tées à l'arrière pour la structure de refroidisse- ment, de telle sorte que le courant d'air de refroi- dissement soit dévié de 1800 avant d'être déchargé dans la chambre de combustion. Cette structure est basée sur la pression statique, par opposition à la pression totale utilisée suivant la présente inven- tion. Une théorie avancée pour expliquer la limita- tion de la durée de vie de la chemise intérieure repose sur le fait que l'effet tourbillonnant de l'air de re- froidissement persiste dans la pellicule ayant subi une coalescence, ce qui, d'une manière générale, a pour effet d'altérer la pellicule uniforme engendrée par la lèvre de l'ouîe. Il semble qu'il se crée des points chauds localisés à proximité de l'écoulement tourbillonnaire, ce qui a pour effet de provoquer un gauchissement et la formation de fissures. En outre, on a constaté qu'il existait, dans la technique antérieure, des systèmes dans lesquels cer- taines surfaces de paroi de la chemise intérieure étaient exposées, dans des zones susceptibles de poser des problèmes, à la fois aux conditions de chaleur et de froid extrêmes. L'importante différence de température donne évidemment lieu à de fortes contraintes thermiques qui sont désavantageuses pour la chemise intérieure. La Demanderesse a constaté que son invention penwettait d'éviter ou du moins d'atténuer les effets pré- judiciables des problèmes énoncés ci-dessus. Grâce au courant d'air de refroidissement circulant en une bou- cle double, la composante tourbillonnaire est sensible- ment réduite, voire éliminée, engendrant ainsi une pel- licule de refroidissement coalescente plus uniforme qui, S comme l'ont démontré des essais, se propage vers l'aval sur une plus grande distance que celle obtenue avec les systèmes de refroidissement connus jusqu'à présent, no- tamment, les systèmes illustrés dans les brevets préci- tés. En outre, ce système permet, à l'air, d'absorber une quantité de chaleur donnée, laquelle est à son tour acheminée vers l'anneau de renforcement qui est exposé au côté air froid de la chambre de combustion. Il en résulte un échauffement de cet anneau de renforcement à une température se situant entre celle de l'air froid et celle de la chambre de combustion chaude avec, pour conséquence, une plus faible valeur AT et, évidemment, une atténuation des contraintes thermiques. Un objet de la présente invention est de four- nir un élément de refroidissement perfectionné pour la chambre de combustion à ouîes d'une turbine à gaz. Selon une caractéristique de la présente in- vention, on prévoit, pour la chemise intérieure d'une chambre de combustion du type à ouîes un système de refroidissement à boucle de passage double à proximité de la lèvre de décharge, ce système assurant la coales- cence de l'air de refroidissement en une pellicule ad- hérant à la paroi intérieure de la chambre de combustion à une distance maximum de la lèvre de décharge. Les ouvertures d'admission prévues pour la bouclede passage double face au compresseur de la turbine déchargent les gaz quittant ce compresseur et s'écoulant vers l'aval par rapport à l'écoulement des gaz déchargés du compres- seur. D'autres caractéristiques et avantages appa- raîtront à la lecture de la spécification et des reven- dications ci-après, ainsi qu'à l'examen des dessins an- nexés qui illustrent une forme de réalisation de l'in- vention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en partie en coupe transversale et en partie en élévation illus- S trant la chambre de combustion à laquelle est intégré le système de la présente invention; et la figure 2 est une vue partielle agrandie en coupe illustrant les détails de la présente invention. Bien que la présente invention soit illustrée par sa forme de réalisation préférée qui est intégrée à la chemise intérieure d'un brûleur annulaire pour une turbine à gaz, il est entendu que l'invention est éga- lement d'application dans d'autres types de chemises in- térieures à oules, par exemple, le type tubulaire. Afin de mieux comprendre la conception des chambres de combustion de turbines à gaz, on se référera aux brevets précités, ainsi qu'aux chambres de combustion conçues pour les modèles de turbines "JT-8D" et "JT-9D" fabri- qués par le "Pratt & Whitney Aircraft Group", division de la "United Technologies Corporation", laquelle est la Demanderesse de la présente. En se référant aux dessins annexés, le brûleur annulaire désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 10 est convenablement supporté dans une tur- bine à gaz pour loger le mécanisme générateur de chaleur de cette dernière. De façon bien connue, il se produit, dans ce brûleur, une combustion du carburant destinée à produire une énergie suffisante pour entraîner la tur- bine, en engendrant ainsi une force motrice ou une pous- sée selon qu'il s'agit d'un turbopropulseur ou d'un mo- teur à réaction. Le brûleur comprend plusieurs ouîes constituées d'organes coniques ou cylindriques 12 montés bout à bout dans le sens longitudinal pour définir une chambre de combustion creuse. L'extrémité de chaque oule comporte une partie en forme de lèvre qui sert à créer une pelli- cule pour le refroidissement de la paroi adjacente de la chemise intérieure. Le système de refroidissement de la présente invention est illustré plus clairement en figure 2 qui est une vue agrandie d'une partie d'une oule spécifique. Comme le montre cette figure, une ailette 14 solidaire de la partie de paroi chaude 16 de l'organe formant oule 12 est disposée entre une lèvre 18 et une bride d'admission 20. Ainsi qu'on l'a mentionné, la lèvre 18, l'ailette 14 et la bride 20 ont une configu- ration circulaire et elles peuvent être fabriquées par usinage ou laminage. L'ailette 14 remplit deux fonc- tions, à savoir (1) supporter la lèvre en évitant ainsi de devoir utiliser les supports requis dans les chambres de combustion de la technique antérieure, et (2) dévier l'air. De plus, l'extrémité peut être réalisée sous forme d'un organe unitaire à oule, ou les organes de refroidissement peuvent être fabriqués séparément et soudés à la partie restante de louîe. Selon la forme de réalisation préférée, il est souhaitable de réaliser l'ensemble de la section d'ouîe par laminage ou moulage et de lui donner la configuration d'une chambre de com- bustion. Une section 30 de l'ouîe 12 est repliée pour définir une fermeture de la section de refroidissement par pellicule et confiner le courant d'air de refroidis- sement, de telle sorte que l'air de décharge du compres- seur y pénètre par plusieurs ouvertures d'admission 32 dimensionnées et localisées de telle manière que cet air vienne heurter efficacement la face avant de l'ail- lette 14. Dans cette forme de réalisation, les admis- sions 32 sont exposées à la pression de décharge totale du compresseur. La configuration interne du système provoque une déviation de l'air qui s'écoule autour de l'ailette en balayant le dessous de la partie repliée 30. Cette partie peut être utilisée en guise d'élément de renforcement, de façon à contribuer à empêcher un gauchissement de la structure. D'après la description ci-dessus, il apparaît que le balayage de la partie repliée 30 a pour effet d'y conduire la chaleur et de réduire la différence de tem- pérature existant en travers du métal de cette partie repliée 30 dont la surface extérieure est exposée à air de refroidissement et dont la surface intérieure est exposée à la chaleur émanant de la chambre de com- bustion. La lèvre 18 et le coude 34 que comporte l'ex- trémité arrière de la section d'ouîe 12, définissent une fente annulaire par laquelle l'air passe par-dessus l'ailette en décrivant une boucle double afin de subir une coalescence et se décharger dans la chambre de com- bustion sous forme d'une pellicule. Cette pellicule d'air de refroidissement est dirigée de façon à adhérer à la surface de paroi intérieure de l'ouîe 12 pour pro- téger le métal contre la chaleur intense de la chambre de combustion, tout en se propageant vers l'aval sur la plus grande distance possible comme illustré par la li- gne en traits discontinus A. Ainsi qu'on l'a mentionné, la partie 22 a une section transversale décroissante et elle contribue à accroître la conduction dans l'ailette support 14. En raison de ce système de refroidissement, l'air tourbillonnaire entrant est déchargé en une pelli- cule pratiquement exempte de remous et de tourbillons, ce qui, comme on l'a constaté, améliore la durabilité de la chemise intérieure, tout en engendrant un gradient de température plus uniforme dans le métal associé. De même, les tourbillons créés par l'interaction de l'air sortant des différentes admissions 32 et de l'impact sur l'ailette 18 sont éliminés ou presque par le parcours d'écoulement à boucle double. Un autre avantage qu'offre le parcours d'écoulement à boucle double réside dans le fait que cette conception permet d'utiliser une lèvre raisonnablement courte sans raccourcir la durée de séjour de l'air froid dans le mécanisme générateur de pellicule. Le chauffage supplémentaire de la section de renforcement 30 sert à réduire la différence de température à laquelle cette structure est soumise, atténuant ainsi par la même occasion les contraintes thermiques qui y sont exercées. Il est entendu que l'invention n'est pas limi- tée aux formes de réalisation particulières illustrées et décrites ici, diverses modifications pouvant y être apportées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nouveau concept tel qu'il est défini par les reven- dications ci-après. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion comportant une che- mise intérieure à ouîes définissant une zone de combus- tion, la face extérieure de cette chemise intérieure étant exposée à l'air plus froid, tandis que sa face in- térieure est exposée aux gaz de combustion chauds, cet air plus froid s'écoulant de l'amont vers l'aval par rapport à l'écoulement des gaz chauds engendrés au cours du processus de combustion, caractérisée en ce qu'elle comprend une bride annulaire s'étendant radialement vers l'extérieur sur une extrémité d'une des ouîes de la chemise intérieure qui est espacée d'un bord de cette ouîe, l'ouîe immédiatement adjacente comportant une ex- trémité en surplomb entrant en contact avec la bride précitée et définissant, avec cette dernière, une cavité annulaire extérieure qui entoure l'extrémité de cette oule, une ailette s'étendant radialement vers l'extérieur sur l'extrémité précitée de l'ouîe en étant espacée en- tre cette extrémité de l'ouîe et la bride, à l'écart de l'extrémité en surplomb pour définir deux chambres annu- laires auxiliaires, l'extrémité de l'ouîe qui est adja- cente à l'ailette, comportant une lèvre de laquelle l'ouîe immédiatement adjacente est espacée pour définir une fente annulaire communiquant avec ces-chambres auxi- liaires, une ouverture d'admission dirigée vers l'écoule- ment d'air plus froid pour permettre, à ce dernier, de pénétrer dans la chambre annulaire et de venir heurter l'ailette, avant de changer de direction et de s'écou- ler d'une chambre auxiliaire dans l'autre et à travers la fente pour pénétrer dans la zone de combustion, de telle sorte que l'air de refroidissement subisse une coalescence en une pellicule pour être déchargé sous cette forme à travers la fente et adhérer à proximité de la face intérieure de la chemise à mesure qu'il s'écoule vers l'aval dans cette zone de combustion. 2. Chambre de-combustion suivant la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'ouverture d'admission est constituée de plusieurs trous espacés circonféren- tiellement et forés dans la bride. 3. Chambre de combustion suivant la revendica- tion 2, caractérisée en ce que la partie à ouîe située immédiatement en amont de la bride a une section trans- versale conique à épaisseur croissante de l'amont vers l'aval. 4. Chambre de combustion suivant la revendica- tion 2, caractérisée en ce que l'axe des trous forés est disposé angulairement par rapport à la ligne centrale de la chemise intérieure, de telle sorte que l'air de refroidissement vienne heurter la base de l'ailette. 5. Groupe propulseur du type à turbine com- portant un compresseur et un brûleur, ce brûleur compor- tant une chemise intérieure à ouîes de configuration coannulaire généralement allongée définissant une zone de combustion, chaque section d'ouie comportant un bord d'amont et un bord d'aval par rapport à l'écoulement des gaz de combustion, le bord d'amont comportant une bride s'étendant radialement vers l'extérieur, tandis que le bord d'aval comporte une partie en surplomb s'étendant radialement vers l'extérieur et définissant une chambre annulaire qui entoure l'extrémité d'amont de 1'ouîe adjacente, une ailette s'étendant à partir du bord d'amont jusqu'à une courte distance de la partie en surplomb s'étendant radialement vers l'extérieur pour définir deux chambres auxiliaires, une lèvre circonfé- rentielle formée sur le bord d'amont de l'ouîe et espacée de l'extrémité d'aval de l'ouîe adjacente en définissant une fente annulaire, ainsi que plusieurs ouvertures d'ad- mission espacées circonférentiellement dans la bride en étant dirigées vers l'écoulement d'air déchargé du com- presseur en vue de diriger cet air sur l'ailette pour re- froidir cette dernière avant qu'il soit dévié pour venir heurter la partie en surplomb et chauffer celle-ci, l'air étant ensuite à nouveau dévié à l'endroit o il passe à travers la fente annulaire sous forme d'une pellicule afin de protéger la chemise intérieure adjacente à ouîes.