Brevet FR2531748A1 — publié le 19840217

X 2531748 La présente invention se rapporte aux chemises de chambre de combustion pour moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement aux chemises de chambre de combustion qui fournissent un courant d'air de dilution à la zone de com- bustion. On obtient un accroissement du rendement des moteurs à turbine à gaz en partie en augmentant les températures de fonctionnement à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur Pour que le moteur puisse résister à ces températures plus élevées en conservant une durée de vie utile acceptable, il est nécessaire non seulement d'utiliser des matières et alliages extrêmement élaborés mais également de fournir des moyens efficaces et fiables pour refroidir les chemises des chambres de combustion. Une des techniques efficace utilisable pour refroi- dir la chemise de la chambre de combustion est la technique de refroidissement par convection au moyen d'un film fluide. Une couché limite d'air froid formant un film protecteur est dirigée de façon à s'écouler le long d'une surface intérieure d'une chemise de chambre de combustion de manière à isoler la chemise des gaz chauds de combustion adjacents Le film d'air de refroidissement forme non seulement une barrière protectrice entre la chemise et les gaz chauds mais il assure également un refroidissement par convection de la chemise elle- même L'air qui est utilisé de cette manière peut être décrit comme étant de l'air de refroidissement par film fluide de la chemise de la chambre de combustion. En plus du refroidissement par film fluide ou refroidissement pelliculaire de la chemise de la chambre de combustion, de l'air comprimé refoulé par le compresseur du moteur est également envoyé dans la chemise de la chambre de combustion dans l'intérieur de chambre de combustion dans le but de fournir de l'oxygène au processus de combustion qui a lieu à l'intérieur de la'chambre de combustion Des volumes importants d'air doivent être envoyés dans la chambre de - combustion, sur toute la longueur de la structure de chambre de combustion, afin d'entretenir le processus de combustion. L'air utilisé de cette manière est appelé le courant d'air de dilution. Une manière relativement courante employée pour introduire ce courant d'air de dilution a consisté à utiliser des ouvertures d'écoulement de dilution à rayon relativement grand Ces ouvertures sont généralement construites sous la forme d'organes tubulaires qui s'étendent à travers toute la longueur de la chemise de la chambre de combustion. L'un des problèmes qui se pose avec l'emploi actuel des ouvertures d'écoulement de dilution estque de grandes quantités d'air comprimé sont aspirées dans la chambre de combustion par un trajet d'écoulement qui n'utilise pas pleinement les possibilités de refroidissement de l'air refoulé par le compresseur Un travail important a été dépensé pour comprimer cet air de sorte qu'il est très sou- haitable d'utiliser cet air de la manière la plus efficace possible. Par conséquent, l'un des buts de la présente in- vention est de réaliser une structure de chemise de chambre de combustion qui utilise mieux les propriétés utiles du courant d'air de dilution. Un autre but de la présente invention est d'utili- ser l'air du courant d'air de dilution à des fins supplémen- taires au cours de son entrée dans la zone de combustion. Selon un mode de réalisation de la présente in- vention, de l'air comprimé prélevé d'une région qui entoure la chambre de combustion est utilisé pour au moins deux buts distincts En premier lieu, l'air est aspiré à travers une chemise extérieure de chambre de combustion de façon à venir refroidir par impact les segments de la chemise intérieure de la chambre de combustion En second lieu, une partie de l'air utilisé pour le refroidissement par impact de la chemise intérieure s'écoule à travers des trous de dilution pour former lécoulement de dilution dans la chambre de combustions. En outre, la partie restante de l'air initialement utilisé pour le refroidissement par impact peut être envoyée à travers des trous de refroidissement par film fluide pour assurer le refroidissement pelliculaire des paroles intérieures des segments de la chemise intérieure de la chambre de combustion. L'air comprimé peut être utilisé de ces manières séparées du fait qu 2 on a réalisé une nouvelle construction de chemise de chambre de combustion dans laquelle les parois de chemise inté- rieureet extérieure sont séparées par un espace dans lequel l'air comprimé forme un matelas de refroidissement par impact entre les deux chemises Le matelas d'air sert de source pour l'écoulement de dilution et peut également être une source d'air de refroidissement par film fluide. ^La suite de la description'se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une représentation schématique, en partie en coupe et en partie éclatée d'un moteur-à turbine à gaz dans lequel la présente invention peut être utilisée; Figure 2, une vue schématique en coupe d'une chambre à combustion classique d'un moteur à turbine à gaz Figure 3, une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention tel qu'incorporé à la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Sur la figure 1, à laquelle on se référera mainte- nant, on a représenté un moteur à turbine à gaz classique 10 dans le but de décrire les fonctions des éléments à l'inté- rieur de ce mot'eur Le moteur 10 comporte un'carter'extérieur ayant une extrémité d'entrée 12 pour recevroir l'air ambiant dans un compresseur axial 14 à plusieurs étages. Le compresseur 14 comporte des grilles d'aubes mobiles 16 de compresseur intercalées avec des grilles d'aubes fixes 18 de stator Les aubes mobiles 16 de compresseur servent à comprimer l'air d'admission qui, après avoir été comprime, est refoule à une extrémité aval du compresseur 14 à travers une gzille 20 d'aubes distributrices de sortie de compresseur, suivie d'un diffuseur annulaire désigné par la référence générale 22 Le diffuseur 22 décharge l'air comprimé refoulé par le compresseur dans une région 28 qui entoure une chambre de combustion 30 O Des parties de cet air comprimé refoulé dans la région 28 aui entoure la chambre de combustion 30 sont en- voyées dans la chambre de combustion 30 dans laquelle elles sont combinées avec le combustible et allumées pour former des gaz de combustion à haute pression, à grande vitesse. Les gas de combustion sont envoyés à grande vitesse dans une partie de turbine 32 La partie de turbine extrait du travail des gaz de combtustion a haute pression pour entraîner les aubes mobiles du compresseur 14 au moyen d'un arbre de transmission 34 En outre, la partie de turbine 32 peut ex- -traire du travail supplémentaire des gaz de combustion dans le but d'entraîner un arbre qui fournit une puissance mécanique aux fins, quelles qu'elles soient; désirées par l'utilisateur du moteur Par exemple, l'arbre fournissant une puissance mécanique peut entraîner les pales tournantes (non représentées) d'un hélicoptère ou une hélice (également non représentée) ou il peut être utilisé à l'une quelconque de nombreuses fins Après avoir traversé la partie de turbine 32, les gaz de combustion peuvent être évacués à l'atmosphère par une tuyère 38 de moteur fournissant ainsi une poussée dirigée vers l'avant au moteur 10. Les principes fondamentaux des moteurs à turbine a gaz, leur structure générale et leur fonctionnement sont bien donnus des spécialistes de la technique Le moteur représenté sur la figure 1 est du type turboréacteur,; ce- pendant, il doit être bien compris que la présente invention est applicable à n'importe quel moteur à turbine à gaz. On a décrit le moteur 10 pour aider le lecteur à comprendre l'utilité de la présente invention dans le cadre d'un moteur à turbine à gaz. Sur la figure 2 à laquelle on se référera mainte- nant, on a représenté une chambre de combustion 30 du type qui peut être utilisé dans un moteur à turbine à gaz, tel que celui-représenté sur la figure 1, dans le but de décrire l'écoulement d'air à partir de la région 28 qui entoure la chambre de combustion jusqu'à l'intérieur de la chambre de combustion elle-même L'air contenu dans la région 28 qui entoure la chambre de combustion 30 est fortement comprimé du fait qu'il a été refoulé par un compresseur (non repré- senté) Il est également relativement froid par rapport aux températures qui règnent à l Pintérieur de la chambre de combustion dans laquelle-a lieu le processus de combustion pendant le fonctionnement du moteur. L'air refoulé par le compresseur 30, appelé également le refoulement du compresseur, est utilisé à la fois pour entretenir le processus de combustion et pour refroidir la structure de la chambre de combustion proprement dite. Du combustible est injecté dans la chambre de com- bustion 30 par un injecteur 40 de combustible sous la forme d-'un fin courant de gouttelettes qui se; mélange facilement avec l'air comprimé pour former un mélange combustible. L'air refoulé par le compresseur entre dans la chambre de combustion par divers orifices formés dans la structure de la chambre de combustion A son extrémité amont, la chambre de combustion 30 comporte un dôme 42 muni d'orifices 44 d'entrée d'air qui assurent le refroidissement par impact d'une collerette de dôme 46. Si l'on considère la partie de la chambre de com- bustion située plus en aval, des trous 48 de refroidissement par film fluide dirigent de l'air comprimé dans la chambre de combustion sous la forme d'un film épais qui s'écoule le long des parois intérieures 50 de la structure de chambre de combustion Plus en aval, de l'air de dilution est in- troduit par des ouvertures de dilution 52 L'objet de cet air de dilution est d'alimenter le processus de combustion qui se produit dans une chambre intérieure 54 Les gaz de combustion à haute pression, et grande vitesse, s'écoulent vers l'aval à travers un orifice de sortie 56 de la chambre de combustion dans une partie de turbine (non représentée). Le lecteur comprendra facilement que l'air refoulé par le compresseur introduit dans la chambre de combustion par les ouvertures de dilution 52 n'est utilisé que pour la fonction d'alimentation en air servant à entretenir les processus de combustion. Sur la figure 3,à laquelle on se référera maintenant, on a représenté la présente invention telle qu'elle peut être utilisée dans une chambre de combustion classique 30 Comme dans la plupart des chambres de combustion, il est prévu un injecteur 40 de combustible à une extrémité amont pour injecter un fin jet pulvérisé de combustible dans une chambre intérieure 54 de la chambre de combustion 30 A l'intérieur de la chambre 54, le fin jet pulvérisé de combustible se- mélange avec l'air et est allumé pour former les gaz de combustion à haute pression et à température élevée qui s'écoulent vers l'aval hors d'un orifice de sortie 56 de la chambre de combustion A son extrémité amont, la chambre de combustion prend ia forme d'un dôme 42 Le dôme 42 est muni d'orifices 44 d'entrée d'air pour le refroidissement par impact d'une collerette 46 de dôme Si l'on considère la partie de la chambre de combustion située plus en aval, on 2 51748 voit qu'une première rangée d'orifices 49 d'entrée d'air de refroidissement par film fluide est utilisée pour diriger un film d'air de refroidissement le long des parois inté- rieures de la chambre de combustion afin d'assurer le refroidissement par film fluide de ces dernières O Jusqu'à -ce point, la description de la chambre de combustion 30 représentée sur la figure 3 est semblable à celle des cham- bres de combustion classiques de la technique antérieure. En aval de la première rangée d'orifices 49 de refroidissement par film fluide, la chambre de combustion comporte une structure de chemise 58 qui est nouvelle et originale et qui utilise l'air de dilution d'une manière nouvelle et utile O La chemise 58 comporte une paroi exté- rieure 60 de chemise qui est, dans l'ensemble, construite sous une forme cylindrique'autour de l'axe géométrique du moteur de façon à définir les limites de base de la chambre de combustion 30 Une série de trous 62 d'entrée d'air de refroidissement sont répartis autour de la paroi extérieure de la chemise permettant ainsi à l'air refoulé par le compressser de s'écouler depuis la région 28 qui entoure la chambre de combustion à travers la paroi extérieure 60 de la chemise Cet air comprimé s'écoulant à travers les trous 62 d'entrée d'air assure un refroidissement par impact d'un ou de plusieurs segments 64 d'une paroi intérieure de chemise. Les segments 64 de la paroi intérieure de la' chemise sont radialement espacés de la paroi-extérieure 60 de la chemise délimitant de ce fait un espace dans lequel est formé un matelas d'air 66 de refroidissement par impacti Le matelas 66 de refroidissement par impact sert à refroidir continuellement les segments 64 de la paroi intérieure de la chemise L'espacement est formé structuralement par des nervures annulaires périphériques 72 qui font partie des segments 64 de la paroi intérieure de la chemise Les ner- vures 72 sont en butée contre la paroi extérieure 60 de la chemise. L'air qui forme le matelas 66 de refroidissement par impact peut ensuite être utilisé de deux manières différentes Une partie du matelas d'air de refroidisse- ment par impact peut être envoyé à travers des trous 68 d'écoulement de dilution pour constituer une source im- portante d'air servant à entretenir les processus de combustion 54 La partie restante de l'air contenu dans le matelas 66 de refroidissement par-impact peut être envoyé à travers des trous 70 de refroidissement par film d'air secondaire pour former un film d'air de refroidisse- ment le long des surfaces intérieures des segments 64 de la paroi intérieure de la chemise. Avec cette nouvelle structure de chemise de chambre de combustion, on peut utiliser l'air comprimé contenu dans la région 28 qui entoure la chambre de com- bustion 30 pour remplir deux ou trois fonctions séparées et distinctes En premier lieu, l'air comprimé est utilisé -pour le refroidissement par impact des segments 64 de la paroi intérieure de la chemise En second, on peut utiliser ce même air employé pour le refroidissement par impact, pour fournir un écoulement de dilution dans la chambre 54 de combustion et/ou en troisième lieu pour le refroidis- sement par film fluide des segments 64 de la paroi inté- rieure de la chemise Par conséquent, l'air qui forme le matelas de refroidissement par impact remplit au moins deux fonctions et-a la possibilité d'en remplir trois. Un autre agencement a été représenté dans une partie aval de la chambre de combustion 30 dans laquelle l'air de refroidissement par impact est utilisé unique- ment pour le refroidissement par impact et pour former l'écoulement d'air de dilution Cet autre mode de réalisa- tion de la présente invention est utilisable dans des segments des chambres de combustion pour lesquels un refroidissement par film fluide des parois intérieures n'est plus autant souhaitable. L'une des caractéristiques extrêmement utiles de la présente invention réside en ce que les propriétés de refroidissement potentielles de Vlair du courant d'air de dilution sont utilisées pour le refroidissement par impact des segments 14 de la paroi intérieure de la chemise de la chambre de combustion 30 Cette fonction est souhaitable dans les chambres de combustion actuelles dans lesquelles les températures de combustion peuvent dépasser 16490 C ( 30000 F) et peuvent être très nocives pour les matériaux qui forment la chambre de combustion. Dans le mode de réalisation de la présente inven- tion représenté sur la figure 3, on peut décrire la dis- tribution générale de l'écoulement d'air de refroidisse- ment de la manière suivante De la quantité totale ( 100 %) d'air qui s'écoule dans la chambre de combustion intérieure 54, approximativement 30 pour cent s'écoulent par l'injec- teur 40 de combustible et par les orifices 44 d'entrée d'air du dôme formés dans le dôme et environ 10 autres pour cent de cet air s'écoulent par la première rangée 49 de trous d'entrée d'air de refroidissement par film fluide Les 60 pour cent restant de cette quantité d'air sont utilisés pour lé refroidissement par impact de façon à former le matelas 66 d'air de refroidissement par impact. Environ les 2/3 de leair du matelas 66 d'air de refroidissement par impact (ou environ 40 pour cent de la quantité d'air totale fournie à la chambre intérieure 54) sont-utilisés pour l'écoulement de dilution par les trous de dilution 68 et le tiers restant (ou environ 20 pour cent de la quantité d'air totale fournie à la chambre intérieure) est utilisé comme air de refroidissement par film fluide dirigé à travers les trous 70 de refroidissement par film fluide secondaire. Il est bien entendu que tous les pourcentages donnés ci-dessus ne sont que des pourcentages approxima- tifs et qu'ils peuvent être modifiés dans une mesure im- portante tout en continuant de remplir les fonctions de la présente invention. A titre d'exemple, dans un mode de réalisation de la présente invention, on peut utiliser une chemise de chambre de combustion dans laquelle aucune partie de l'air du matelas d'air de refroidissement par impact n'est utili- sée pour le refroidissement par film fluide et la totalité de cet air est envoyée par les trous de dilution en tant qu'air du courant d'air de dilution. Bien qu'on ait décrit un mode de réalisation pré- féré de la présente invention ainsi qu'une variante aux fins de la description, il est bien entendu que les spécialistes de la technique peuvent imaginer des modifi- cations et variantes qui ne s'écartent pas du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications annexées. REVENDICATIONS -1 Chemise ( 58) de chambre-de combustion ( 30) de moteur ( 10) à turbine à gaz ayant un compresseur ( 14) qui fournit de l'air comprimé, chemise de chambre de combustion caractérisée en ce qu'elle comporte une paroi extérieure ( 60) de chemise, des trous ( 62) d'alimentation en air de refroi- dissement répartis dans ladite paroi extérieure de la che- mise permettant à lair comprimé de s'écouler à travers la paroi extérieure de la chemise, un ou plusieurs segments ( 64) de paroi intéri- eure de chemise écartés de la paroi extérieure de la chemise pour permettre le refroidissement par impact dès segments de la paroi intérieure de la chemise au moyen de l'air com- primé, X des ouvertures ( 68) d'écoulement d'air-de'dilution réparties dans les segments de la paroi intérieure de la chemise, cet écoulement de dilution étant alimenté au moins en partie par l'air utilisé pour le refroidissement par impact des segments de la paroi intérieure de la chemise. 2 Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que la totalité de l'air de dilution est fournie par l'air utilisé pour le refroidis- sement par impact des segments ( 64) de la paroi intérieure de la chemise. 3 Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 1, caractérisée en ce qu'il est formé un matelas ( 66) d'air de refroidissement par impact entre la paroi ex- térieur ( 60) de la chemise et les segments ( 64) de la paroi intérieure de la chemise et en ce que l'air de refroidisse- ment qui forme le matelas de refroidissement par impact assure le refroidissement par impact des segments de la paroi intérieure de la chemise et constitue, en outre, une source d'air pour le courant de dilution. 4 Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 3, caractérisée en ce que des nervures annu- laires périphériques ( 72) sont formées dans les segments ( 64) de la paroi inetérieure de la chemise et en ce que les nervures sont en butée contre la paroi extérieure ( 60) de la chemise et déterminent ainsi, aumoins en partie, l'es- pacement entre la paroi extérieure de la chemise et les segments de la paroi intérieure. Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 3, caractérisée en ce que la chemise ( 58) comporte un dôme ( 42) refroidi par impact dans une partie amont de la chambre de combustion, le dÈme étant refroidi par de l'air de refroidissement de dome par impact, et en ce que une quantité donnée d'air comprimé est envoyée dans la chambre de combustion ( 30) et cette quantité est répar- tie d'une manière générale de telle sorte qu'environ 30 pour cent de cette quantité sont utilisés pour l'injection du combustible dans le dôme et pour l'air de refroidissement par impact du d Sme, environ 60 pour cent de cette-quantité sont utilisés pour former le matelas de refroidissement par impact servant aurefroidissement par impact des segments ( 64) de la paroi intérieure de la chemise et environ 10 pour cent de cette quantité sont utilisés uniquement pour le refroidissement par film fluide. 6 o Chemise de chambre de combustion selon la re- vendication 5, caractériséee en ce que l'air utilisé pour former le matelas ( 66) de refroidissement par impact est réparti dans l'ensemble de telle sorte qu'environ un tiers est utilisé pour le refroidissement par film fluide des segments ( 64) de la paroi intérieure de la chemise et environ les'deux tiers sont utilisés pour l'écoulement de dilution. 7 Chemise ( 58) de chambre de combustion ( 30) pour un moteur ( 10) à turbine à gaz ayant un compresseur ( 14), chemise caractérisée en ce qu'elle comporte: des moyens pour utiliser l'air refoulé par le compresseur pour remplir une fonction de refroidissement par impact des segments ( 64) de la paroi intérieure de la chemise et pour utiliser une partie de ce même air de refoulement du compresseur qui sert d'air de refroidissement par impact comme air de dilution pour entretenir la combus- tion qui se produit à l'intérieur de la chambre de combus- tion.