Brevet FR2609324A1 — publié le 19880708

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, des agencements comportant des dispositifs de formation de tourbillons destinés à fournir de l'air à la chambre de combustion de ces moteurs. Les moteurs à turbine à gaz comportent une structure formant chambre de combustion dans laquelle un carburant est brûlé pour fournir l'énergie dont on a besoin. Pour effectuer la combustion, le carburant est fourni à une zone de combustion et l'air est introduit de manière à provoquer un mélange optimum de l'air et du carburant afin d'obtenir une combustion efficace. En général, le carburant est fourni par l'intermédiaire d'une tuyère placée à l'une des extrémités de la zone de combustion et l'air est introduit par l'intermé- diaire d'un dispositif de formation de tourbillons, entourant la zone de combustion, qui confère à l'air un mouvement tourbillonnant de manière à provoquer un mélange complet avec le carburant. Dans une structure classique, le dispositif de forma- tion de tourbillons comporte une multitude de canaux inclinés qui provoquent le tourbillonnement de l'air à l'intérieur de la zone de combustion et par conséquent son mélange complet avec le carburant. Dans cette structure classique, le dispositif de formation de tourbillons est monté sur la tuyère d'alimentation en carburant et comporte une partie -2disposée en contact coulissant avec une portion de la paroi de la zone de combustion. L'air traversant les canaux inclinés du dispositif de formation de tourbillons a tendance à provoquer la rotation de ce dernier autour de sa monture fixée à la tuyère d'alimentation en carburant. De façon à permettre au dispositif de formation de tourbillons de conférer les tourbillons nécessaires à l'air et de mélanger efficacement l'air et le carburant, il est indispensable de limiter la rotation du dispositif de formation des tourbil- lons. Dans une structure classique, on y parvient en prévoyant une patte sur le dispositif de formation de tourbilons et une butée sur la structure de la chambre de combustion, la butée limitant la rotation du dispositif de formation des tourbillons. Cependant, la structure de la chambre de combustion est sujette à des vibrations et il se produit en outre une dilatation thermique des composants pendant le fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz. Il en résulte un mouvement relatif entre la patte et la butée qui se traduit par une usure importante nécessitant finalement des réparations et augmentant les coûts d'entretien. Dans la présente invention, on résoud ce problème de l'art antérieur et prévoit un agencement permettant de limiter le mouvement de rotation des dispositifs de formation de tourbillons dans lequel l'usure est minimisée. Un objet de la présente invention est une structure de chambre de combustion pour moteur à turbine à gaz comprenant des dispositifs de formation de tourbillons associés aux tuyères d'injection de carburant et comportant un agencement de butéespour limiter la rotation du dispositif de formation de tourbillons d'une manière telle que l'usure est minimisée et que les coûts d'entretien sont réduits. Selon la présente invention, dans l'un de ses modes de réalisation, un moteur à turbine à gaz comporte une structure annulaire de chambre de combustion qui comprend une multitude -3- de zones de combustion décalées annulairement les unes des autres. Une tuyère d'injection de carburant est placée dans chaque zone de combustion de manière à lui fournir du carburant. Un dispositif de formation de tourbillons est monté sur chaque tuyère d'injection de carburant et comporte une multitude de canaux dirigés suivant une certaine incli- naison de manière à provoquer le tourbillonnement de l'air entrant dans la zone de combustion, d'o un mélange complet de l'air et du carburant. De façon à limiter leur rotation, les dispositifs de formation de tourbillons sont associés par paires, chaque dispositif de formation de tourbillons de chaque paire comportant une patte qui s'étend radialement vers l'extérieur. Lorsque l'air est fourni par les canaux, les dispositifs de formation de tourbillons sont sollicités dans une certaine direction, ce qui a pour effet d'amener les pattes de chaque paire à venir en contact l'une avec l'autre et par conséquent de limiter encore le mouvement de rotation du dispositif. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'une structure de chambre de combustion illustrant un agencement général de ses composants; figure 2, une vue, en partie en crevé, d'une portion d'une structure annulaire de chambre de combustion, montrant une paire de dispositifs de formation de tourbillons selon la présente invention; figure 3, une vue correspondant à la figure 2 d'une structure de l'art antérieur; figure 4, une vue d'un dispositif de formation de tourbillons de l'art antérieur, illustrant son usure; figure 5, une illustration schématique des forces agissant sur la structure d'un dispositif de formation de tourbillons de l'art antérieur; figure 6, une illustration schématique des forces -4- agissant sur la structure du dispositif de formation de tourbillons de la présente invention. En figure 1, on a représenté une vue d'une zone de combustion de la multitude de zones employées dans le moteur à turbine à gaz de la présente invention. La structure de la chambre de combustion de la présente invention est annulaire et les zones de combustion, dont l'une est illustrée en figure 1 par la référence 10, sont disposées annulairement les unes par rapport aux autres dans la structure annulaire de la chambre de combustion. Dans le mode de réalisation spécifique de la présente invention, on emploie 30 zones de combustion de ce type dans la structure de la chambre de combustion. La moteur à turbine à gaz comporte des parois 12 et 14 qui forment la structure de support de la chambre annulaire de combustion. Les zones de combustion, dont l'une est représentée par la référence 10 en figure 1, sont annulaire- ment décalées les unes des autres à l'intérieur de la structure de la chambre de combustion. Chaque zone de combustion comporte une garniture annulaire 16, une garniture annulaire 17 et un élément annulaire 18. La fourniture du carburant à la zone de combustion s'effectue par une structure de tuyère 20 supportée par la paroi 12. Cette structure se termine par une tuyère 22 qui fournit le carburant à la zone de combustion. L'air permettant la combustion du carburant est fourni par un compresseur (non représenté) du moteur à turbine à gaz dans le sens de la flèche 24. De manière à fournir à la zone de combustion de l'air tourbillonnant et par conséquent effectuer son mélange complet avec le carburant projeté par la tuyère 22, on a prévu un dispositif 26 de formation de tourbillons. Ce dispositif est monté sur la tuyère 22 et est en outre supporté par un élément 30. Comme on l'a décrit précédemment, le moteur à turbine à gaz comporte une multitude de zones de combustion disposées -5 en étant décalées annulairement les unes des autres sur l'étendue annulaire de la structure de la chambre de combustion. Dans un mode de réalisation spécifique de la présente invention, on emploie trente zones de combustion, chaque zone comportant un dispositif 26 de formation de tourbillons. Seion la présente invention, comme on l'expli- quera en détail ci-après, les trente dispositifs de formation de tourbillons montés dans les trente zones de combustion sont disposés par paires, c'est-à-dire qu'il y a quinze paires dans la structure d'ensemble. En liaison maintenant avec la figure 2, chaque disposi- tif 26 de formation de tourbillons comporte une multitude d' ajutages inclinés 32 qui ont pour objet de diriger l'air de combustion dans la zone de combustion correspondante, en provoquant son tourbillonnement de manière à effectuer un mélange complet de l'air et du carburant. Comme les canaux 32 sont inclinés, l'air qui les traverse a tendance à provoquer la rotation des dispositifs de formation de tourbillons, illustrés en figure 2, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (sens vu en figure 2). Les dispositifs de formation de tourbillons de l'art antérieur, illustrés en figure 3, sont disposés également en étant déplacés angulairement les uns par rapport aux autres à l'intérieur de la structure de la chambre annulaire de combustion. Ces dispositifs 34 de l'art antérieur comporte une multitude de canaux inclinés 36 correspondant aux canaux 32 du mode de réalisation illustré en figure 2. Ainsi, les dispositifs de formation de tourbillons de l'art antérieur, illustrés en figure 3, ont tendance à tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, sous l'effet de l'air pendant sa traversée des canaux inclinés 36. Dans le but de limiter ce mouvement de rotation et par conséquent d'avoir l'assurance que l'air est dirigé dans la chambre de combus- tion d'une façon qui provoque l'action de tourbillonnement nécessaire, les dispositfs 34 de formation de tourbillons de - 6 - l'art antérieur (figure 3) comportent deux pattes 38 s'éten- dant diamétralement. La structure de la chambre de combustion comporte deux butées fixes 40, chaque butée étant placée de manière à ce que la patte 38 correspondante la heurte pour limiter la rotation des dispositifs 34. Cependant, la structure de la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz est encline à des vibrations. En outre, pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, il se produit une certaine dilatation thermique des compo- sants de la structure d'ensemble. Il en résulte un mouvement radial relatif des pattes 38 et des butées 40. Comme les pattes 38 sont sollicitées avec une force importante contre les butées 40, ce mouvement radial relatif provoque l'usure des pattes des dispositifs 34 de formation de tourbillons, avec comme conséquence finale la nécessité de procéder au remplacement des dispositifs de formation de tourbillons et l'augmentation des coûts d'entretien du moteur. En figure 4, on a illustré en 42 l'usure ainsi provoquée. Dans la présente invention, on a résolu le problème de l'usure des butées en les éliminant et en effectuant la limitation de la rotation des dispositfs de formation de tourbillons par la venue en contact des pattes et des dispositifs contigus de formation de tourbillons de chaque paire. Comme on l'a indiqué ci-dessus, selon la présente invention, les dispositifs de formation de tourbillons sont disposés en paires. Ainsi, dans un mode de réalisation de la présente invention utilisant trente zones de combustion disposées autour de la structure de la chambre de combustion annulaire, on emploie quinze paires de dispositifs. L'une de ces paires est illustrée en figure 2. Dans la présente invention, on tire profit de la relation rotationnelle des dispositifs contigus de formation de tourbillons de chaque paire. Ainsi, comme cela est illustré en figure 2, à chaque dispositif 26, sous l'effet de l'air traversant les canaux inclinés 32, est conférée une -7- force de rotation agissant dans le sens des flèches 44. Ainsi, dans le mode de réalisation illustré en figure 2, les deux dispositifs 26 sont soumis à une force de rotation qui a tendance à les déplacer dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Cela signifie qu'à la zone contigue des dispositifs de formation des tourbillons, la périphérie du dispositif 26 situé à gauche a tendance à se déplacer dans la direction du haut, cette direction étant illustrée par la flèche 46. En même temps, la périphérie contiguë du disposi- tif 26 monté à droite a tendance à se déplacer vers le bas, cette direction étant représentée par la flèche 48. Dans la présente invention, on profite de cette relation en munissant chacun des dispositifs de formation de tourbillons d'une patte 50 s'étendant radialement. Dans le mode de réalisation spécifique illustré, chaque patte 50 a une forme birfurquée, comprenant deux doigts 52. Les doigts 52 des pattes 50 sont disposés, comme cela est illustré en figure 2, de manière à s'accoupler. Comme les dispositifs 26 de formation de tourbillons ont tous la même construction et sont alimentés par une source d'air commune, les forces de rotation s 'exercant sur chacun d'entre eux sont sensible- ments identiques et les forces résistantes, dont on a parlé ci-dessus, sont donc pratiquement égales. Par conséquent, comme les forces résistantes, agissant dans la direction des flèches 46, 48 s'équilibrent mutuellement, les dispositifs de formation de tourbillons de chaque paire ne peuvent tourner. Dans la construction de la présente invention, le problème de l'art antérieur dans lequel la venue en contact d'une patte d'un dispositif de formation des tourbillons avec une butée montée sur la structure, soumise à des vibrations, de la chambre de combustion, dans laquelle le mouvement relatif de la butée et de la patte se traduisait par l'usure de la butée, se trouve évité. En outre, la construction est plus simple car la structure de la présente invention ne -8 - nécessite qu'une seule patte sur chaque dispositif et les butées séparées que comporte la structure de la chambre de combustion sont complètement éliminées. Dans l'agencement de la présente invention, les dispositifs de formation de tourbillons peuvent se déplacer radialement et circonfé- rentiellement par rapport aux tuyères d'injection de carbu- rant pour absorber les jeux de montage et de fonctionnement. En figure 6, on a illustré le mouvement radial, sous une forme quelque peu exagérée, par les lignes en tirets. Alors que dans le mode de réalisation préféré, illustré en figure 2, chaque patte a une forme bifurquée comportant deux doigts 52 et que les doigts des pattes adjacentes sont disposés de manière à s'accoupler, chaque patte pourrait, le cas échéant, se présenter sous la forme d'un doigt s'étendant radialement, les bras de pattes adjacentes butant simplement l'un contre l'autre et n'étant pas accouplés. En figures 5 et 6, on a représenté les forces de couplage exercées par la force de rotation appliquée aux dispositifs de formation de tourbillons. En figure 5, représentant la construction de l'art antérieur, une force F1 s'exerce aux points indiqués. L'amplitude de cette force est donnée par la relation _M F1 = M F1 L1 o M = moment et L1 = distance entre les points d'applica- tion de la force F1 En liaison maintenant avec la figure 6 qui illustre la relation des forces s'exerçant dans la structure de la présente invention, la force F2 agissant dans la direction des flèches repésentées dans cette figure est donnée par la formule: F 2M F2 = 2 o L2 = distance entre les points d'application de la -9- force sur les éléments de carburant et les dispositifs associés. L2 2 L et F2 - F. Dans la structure de l'art antérieur, la force F1 résultante s'exerce dans la direction circonférentielle, comme cela est illustré en figure 5. Cependant, la structure de la chambre de combustion a tendance à se déplacer dans la direction radiale, indiquée par les flèches 54 en figure 5. Cela se traduit par un certain coulissement relatif dans la zone 56 située entre la tuyère 22 et le dispositif de formation de tourbillons monté sur son dessus, ce qui provoque l'usure de cette zone. Cependant, dans la relation entre les forces se produisant dans la présente invention, comme cela est illustré en figure 6, la force F2 résultante s'exerce dans le sens radial. Comme la structure de la chambre de combustion a également tendance à se déplacer dans la direction radiale, il n'y a aucun coulissement relatif dans la zone 58 située entre la tuyère et les dispositifs de formation de tourbillons montés sur son dessus, ce qui élimine une autre source éventuelle d'usure. La présente invention permet d'obtenir un agencement simplifié pour éviter la rotation des dispositifs de forma- tion de tourbillons. Les butées employées dans la structure de l'art antérieur sont éliminées; cette source d'usure est donc supprimée, d'o la réduction des opérations d'entretien que nécessitent les moteurs à turbine à gaz. - 10 - REVENDICATIONS 1. Agencement de combustion pour un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure annulaire de chambre de combustion comportant une multitude de zones de combustion (10) dispo- sées de façon annulaire; (b) une tuyère d'injection de carburant (22) s'étendant dans chaque zone de combustion pour fournir du carburant aux zones de combustion; (c) un dispositif de formation de tourbillons (26) supporté par chaque tuyère d'injection de carburant, chaque dispositif de formation de tourbillons comportant une multi- tude de canaux inclinés (32) pour diriger l'air de combustion et provoquer un mélange efficace de l'air et du carburant, l'air traversant les canaux ayant tendance à faire tourner chaque dispositif dans le même sens de rotation; (d) les dispositifs de formation de tourbillons étant disposés en paires adjacentes; et (e) un moyen (52) sur chacun des dispositifs de formation de tourbillons destiné à venir en contact avec le même moyen monté sur le dispositif adjacent afin de limiter la rotation des dispositifs de formation de tourbillons. 2. Agencement de combustion pour moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une structure annulaire de chambre de combustion comportant une multitude de zones de combustion (10) dispo- sées annulairement; (b) une tuyère d'injection de carburant (22) s'étendant dans chacune des zones de combustion afin de fournir du carburant aux zones de combustion; (c) un dispositif de formation de tourbillons (26) supporté par chaque tuyère, chacun des dispositifs comportant une multitude de canaux inclinés (32) pour diriger l'air de combustion et provoquer un mélange efficace de l'air et du carburant, l'air traversant les canaux ayant tendance à faire - 11 - tourner chaque dispositif dans le même sens de rotation; (b) chacun des dispositifs de formation de tourbillons comportant une patte s'étendant radialement (50); (e) la multitude de dispositifs de formation de tourbillons étant disposée en paires adjacentes, les pattes des dispositifs de chaque paire étant placées de manière à venir en contact l'une avec l'autre et étant sollicitées l'une contre l'autre par la force de rotation conférée aux dispositifs de chaque paire, d'o il résulte que les pattes en contact de chaque paire agisse en butée mutuelle pour éviter la rotation des dispositifs. 3. Agencement de combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des pattes comporte une paire de doigts espacés (52), les doigts d'un dispositif de chaque paire étant accouplés aux doigts de l'autre dispositif de la paire. 4. Agencement de combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des pattes comprend un bras s'étendant radialement à partir de chaque dispositif, les bras de chaque paire de dispositifs étant en contact l'un avec l'autre par aboutement de manière à limiter la rotation des dispositifs de formation de tourbillons.