Brevet FR2610701A1 — publié le 19880812

La présente invention concerne les moteurs à turbi- ne à gaz, et elle porte plus particulièrement sur des struc- tures pour le refroidissement des chemises de chambre de com- bustion de moteurs à turbine à gaz.. Dans des moteurs à turbine à gaz, on obtient de l'énergie en brûlant du carburant dans une chambre de combus- tion. L'alimentation en carburant s'effectue par un gicleur de carburant situé à une extrémité de la chambre de combus- tion, et le carburant est mélangé avec de l'air et brûlé. La chemise de la chambre de combustion est chauffée par rayonne- ment à partir de la flamme du carburant qui brûle, et par convection sous l'effet des gaz de combustion qui s'écoulent le long de la chemise. Pour éviter une température excessive de la chemise, on établit habituellement un écoulement d'air relativement froid le long de l'extérieur de la chambre de combustion. On a en outre utilisé des trous ou d'autres pas- sages dans la paroi de la chemise de la chambre de combustion pour qu'une fraction de l'air de refroidissement qui s'écoule à l'extérieur de la chambre de combustion soit dirigée sous la forme d'un film le long de la paroi intérieure de la che- mise de chambre de combustion, afin de refroidir à la fois l'extérieur et l'intérieur de la chemise de chambre de com- bustion. Une configuration utilisée pour le refroidissement de la surface intérieure de la chemise de chambre de combus- tion consiste à prévoir un très grand nombre de très petits trous percés dans la paroi de la chambre de combustion, sous un angle d'environ 20 , de façon que l'air qui est dévié à partir de l'extérieur de la chambre de combustion et qui tra- verse ces trous soit dirigé le long de la surface intérieure de la chemise. Ces trous sont percés au laser et ont un dia- mètre d'environ 0,5 mm seulement. On utilise un très grand nombre de tels trous très petits, pour établir un écoulement d'air de refroidissement approprié et uniforme pour la surfa- ce intérieure de la chemise. Dans un moteur à turbine à gaz spécifique, on perce environ 40000 trous de ce type. Ce grand nombre de trous faiblement espacés sur la paroi de la chambre de combustion fait circuler l'air de refroidissement sous la forme d'un film sur la quasi-totalité de la surface intérieu- re de la chemise, ce qui procure un refroidissement très ef- ficace. Cette façon de procéder pour le refroidissement de la chemise de chambre de combustion soulève cependant un problème important. Du fait de la très petite taille des trous, des particules d'impuretés dans l'air de refroidisse- ment peuvent obturer un nombre important de trous, ce qui a pour effet de réduire le débit de l'air de refroidissement à travers les trous et de conduire à un refroidissement inadapté et non uniforme de la surface intérieure de la chemise de chambre de combustion. L'invention a permis de réduire considérablement ce problème. Elle procure des moyens permettant d'extraire de l'air, avant qu'il atteigne ces petits trous, la quasi-totali- té des particules d'impuretés d'une taille suffisante pour présenter une possibilité appréciable d'obturer les petits trous. Ainsi, avec l'invention, la possibilité d'obturation des trous et de blocage du passage de l'air de refroidisse- ment vers la surface intérieure de la chemise de chambre de combustion est considérablement réduite, et on obtient un refroidissement plus efficace de cette surface. L'invention a donc pour but d'extraire les parti- cules d'impuretés présentes dans l'air de refroidissement qui est dirigé vers la surface intérieure de la chemise de cham- bre de combustion, afin d'éviter que ces particules n'obtu- rent de très petits trous formés dans la paroi de la chemise, pour le passage de l'air de refroidissement. Dans la mise en oeuvre d'une forme de l'invention, un écran est placé à distance de la surface extérieure de la chemise de chambre de combustion, et il s'étend sur un ensem- ble de très petits trous formés dans la chemise de chambre de combustion, de façon à empêcher le passage direct de l'air vers ces trous. En outre, l'écran définit un espace entre lui-même et la chemise de chambre de combustion, pour rece- voir un écoulement d'air en sens inverse. Une partie de l'air qui s'écoule le long de la surface extérieure de la chemise de chambre de combustion est déviée de façon à s'écouler en sens inverse dans le chemin qui est établi entre l'écran et la chemise de chambre de combustion. Un nombre plus faible de trous notablement plusgros sont formés dans la chemise de chambre de combustion au point d'inversion de l'écoulement de l'air, de façon que les particules d'impuretés présentes dans l'air aient tendance à traverser ces plus gros trous, à cause de la force centrifuge qui agit sur elles. Un second groupe de plus gros trous sont formés dans la chemise de chambre de combustion, approximativement à l'extrémité avant de l'espace situé entre l'écran et la chemise de chambre de combustion. En circulant vers les très petits trous formés dans la chemi- se de chambre de combustion, l'air doit effectuer une seconde inversion du sens d'écoulement, et la quasi-totalité des par- ticules d'impuretés restantes traversent ce second groupe de plus gros trous pendant cette inversion de l'écoulement de l'air. Par conséquent, I'air qui atteint les très petits trous dans la chemise de chambre de combustion, et qui est di- rigé vers la surface intérieure de la chemise de chambre de combustion, pour refroidir cette dernière, est pratiquement dépourvu de particules d'impuretés, et la possibilité d'obtu- ration de ces très petits trous est minimisée. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: une coupe d'une partie d'un moteur à tur- bine à gaz qui illustre la structure de refroidissement de chambre de combustion de l'invention. Figure 2: une vue agrandie d'une partie de la structure représentée sur la figure 1, montrant des détails de l'invention. Figure 3: une vue encore plus agrandie d'une partie de la surface intérieure de la chemise de chambre de combus- tion montrant, sous une forme exagérée, les petits trous qui sont employés dans la chemise de chambre de combustion. En considérant la figure 1, on voit une partie d'une structure de chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz, qui est désignée de façon générale par la référence 10. La structure de chambre de combustion a une forme annulaire, et elle comprend une paroi extérieure 12 et une paroi inté- rieure 14, établissant entre elles un espace annulaire. Une chambre de combustion proprement dite 16 est formée à l'inté- rieur de cet espace annulaire. La chambre de combustion 16 comprend une chemise extérieure 18 et une chemise intérieure 19. Un ensemble de gicleurs de carburant, dont l'un est re- présenté en 20, sont placés à une extrémité de la chambre de combustion pour fournir du carburant destiné à brûler dans la chambre de combustion. L'alimentation en air de combustion s'effectue par un chemin 22. Une partie de cet air traverse des ouvertures 24 qui entourent chaque gicleur de carburant et pénètre à l'intérieur de la chambre de combustion, pour se mélanger avec le carburant et brûler dans la chambre de com- bustion. Dans le moteur à turbine à gaz habituel, les ouver- tures 24 sont disposées dans un générateur de tourbillons qui communique à l'air un mouvement tourbillonnant, de façon à obte- nir un mélange intime avec le carburant. Ces détails, qui ne font pas partie de l'invention, ne sont cependant pas repré- sentés sur la figure 1. Une partie de l'air qui suit le chemin d'entrée 22 passe autour de l'extérieur de la chambre de combustion 16, comme le montrent les flèches 26 sur la figure 1. La surface intérieure des chemises de chambre de combustion 18, 19 est chauffée par rayonnement à partir de la flamme du carburant qui brûle dans la chambre de combustion, et également par convection, du fait de l'écoulement de produits de combustion le long de la paroi de la chambre de combustion. L'air qui circu- le le long de la chambre de combustion en suivant le chemin 26 contribue à éviter que les chemises de chambre de combustion 18, 19 n'atteignent une température excessive. On a cependant trouvé que pour maintenir dans des limites acceptables la température des chemises de chambre de combustion, il était souhaitable d'établir un écoulement d'air supplémentaire pour refroidir la surface intérieure de ces chemises. Dans ce but, des trous 28 sont formés dans les chemises de chambre de com- bustion 18, 19, de façon qu'une partie de l'air qui suit le. chemin 26 puisse traverser ces trous et s'écouler pratiquement sous la forme d'un film le long de la surface intérieure de la chemise de chambre de combustion. Les figures 2. et 3 représentent sous une forme agrandie, quelque peu exagérée, une telle configuration qui assure un refroidissement efficace de la surface intérieure de la chemise. Cette configuration, dans la structure représentée sur ces figures, comprend un très grand nombre de très petits trous 28 percés dans la chemise de chambre de combustion. Ces trous sont percés au moyen d'un laser et ils sont formés sous un angle d'environ 20 par rapport à la surface intérieure de la chemise de chambre de combustion 18, de façon que l'air qui sort de ces trous soit dirigé dans une large mesure sous la forme d'un film le long de la surface intérieure de la chemise de chambre de combustion 18, pour refroidir celle-ci. Dans un mode de réalisation spécifique du moteur à.turbine à gaz, le nombre total de trous 28 formés dans les différentes sections de la chambre de combustion est de 20000, et chacun des trous a un diamètre d'environ 0,5 mm. Du fait du très grand nombre de très petits trous qui sont formés, cette con- figuration procure une répartition efficace et uniforme de l'air de refroidissement sur toute la surface de la chambre de eombustion. Cependant, bien qu'elle permette d'obtenir un refroidissement uniforme, l'utilisation de très petits trous soulève un problème du fait que les trous sont susceptibles d'être obturés par des particules d'impuretés présentes dans l'air qui s'écoule en suivant le chemin 22. Ce problème est particulièrement important lorsqu'un aéronef dans lequel le moteur à turbine à gaz est installé fonctionne dans une at- mosphère poussiéreuse, comme pendant le roulage au sol et le décollage. L'invention permet d'éliminer pratiquement la pos- sibilité d'obturation d'un nombre notable de ces trous. En considérant maintenant particulièrement les fi- gures 1 et 2, on note que la chemise 18 est formée de façon à définir une partie de paroi extérieure 30 qui s'étend en di- rection radiale. Un écran ou déflecteur 32 est monté sur la chambre de combustion, au niveau de la partie 30. L'écran a une section transversale en forme de L et il comprend une première branche 34 qui est fixée à la paroi latérale 30 de la chemise de chambre de combustion, d'une manière appropriée quelconque pour permettre le montage de l'écran 32 dans une position appropriée par rapport à la chemise de chambre de combustion. L'écran comprend une seconde branche, plus longue, qui s'étend vers l'arrière en étant espacée par rapport à la chemise de chambre de combustion, et de façon générale paral- lèle à cette dernière. Cette branche 36 est placée de façon à être intercalée entre l'air qui s'écoule le long du chemin 26 et l'ensemble de trous 28 formés dans la chemise de chambre de combustion. Comme la figure 2 le montre le mieux, l'extré- mité arrière de la branche 36 s'étend juste au-delà du der- nier des trous 28 formés dans la chemise de chambre de combus- tion, afin d'empêcher que-l'air provenant du chemin 26 ne traverse directement les trous 28. Au-delà de l'extrémité arrière de la branche 26, se trouve un chemin pour l'entrée de l'air dans l'espace com- pris entre l'écran 32 et la surface extérieure de la chemise 18. Bien que cette description porte sur l'écoulement de l'air par rapport à la chemise 18, il ressortira clairement de la suite de la description qu'un écoulement d'air simi- maire est établi par rapport à la chemise 19. On a omis une répétition inutile de la description. Comme le montre la figure 2, un espace.38 pour le passage de l'air est établi entre l'extrémité arrière de l'écran 32 et une bride 40 qui supporte la chemise 18. Du fait que la pression dans la chambre de combustion 16 est in- férieure à la pression dans le chemin 26, à l'extérieur de la chambre de combustion, une partie de l'air qui s'écoule en suivant le chemin 26 est déviée dans l'espace 38 et s'écoule en sens inverse dans l'espace 42 entre l'écran 32 et la surface extérieure de la chemise de chambre de combustion, comme l'indiquent les flèches 44. L'espace 38 forme une en- trée pour l'écoulement d'air selon des chemins décrits ci- après. Pour faciliter le guidage de l'air à la traversée de l'entrée 38, en direction du-chemin d'écoulement en sens in- verse, l'extrémité arrière de la branche 36 de l'écran 32 est courbée, comme indiqué en 46. Pour faciliter encore davantage l'écoulement de l'air dans le chemin d'écoulement en sens in- verse, un guide d'écoulement 48 ayant une partie pratiquement parallèle à l'extrémité courbée 46 de l'écran 32, est monté sur la chemise de chambre de combustion, en une position ap- proximativement médiane entre l'extrémité courbée 46 de l'écran 32 et la bride 40. Le guide d'écoulement 48 divise l'entrée 38 en deux sections, l'une pour le passage d'une partie de l'air par le chemin indiqué par, les flèches 44, et l'autre pour le passage d'une autre partie de l'air par un second chemin 50. Dans le but d'extraire de l'air des particules d'impuretés qui pourraient par ailleurs obturer certains des trous 28, un ensemble de trous 52, traversant la chemise de chambre de combustion, sont formés dans cette dernière entre l'extrémité du guide d'écoulement 48 et la bride 40. Ces trous sont notablement plus gros que les trous 28, de façon que les particules d'impuretés pouvant avoir une taille suf- fisante pour obturer les trous 28, soient extraites de l'écou- lement d'air qui suit le chemin 44 et entre dans l'espace 42, et passent librement à travers les trous 52. Dans un mode de réalisation spécifique de l'invention, ces trous mesurent approximativement 1,25 mm de diamètre, au lieu de 0,5 mm de diamètre pour les trous 28. Les trous 52 sont formés en plus petits nombres que les trous 28. Dans un mode de réalisation spécifique de l'invention, il y a entre 400 et 500 trous 52 dans la chambre de combustion, tandis qu'il y a environ 20000 trous 28 dans la chemise 18. Comme la figure 2 l'indique le mieux, une partie de cet air dévié est dirigée vers l'espace 42, comme l'indiquent les flèches 44, pour s'écouler en sens inverse dans le chemin qui est établi par l'espace 42, entre l'écran 32 et la chemise de chambre de combustion 18. Une seconde partie de cet air dévié s'écoule dans la direction de la flèche 50, de façon à entrer dans l'espace 54 entre l'extrémité du guide d'écoule-- ment 48 et la bride 40, en direction des trous 52. Du fait de la force centrifuge qui agit sur l'écoulement d'air dévié pen- dant ce changement de direction de l'écoulement d'air, les particules d'impuretés contenues dans l'écoulement, qui sont plus lourdes que l'air, tendent à suivre le chemin extérieur , et elles sont donc dirigées vers les trous 52. Ces parti- cules d'impuretés sont ainsi extraites de la partie de l'air dévié qui circule dans la direction des flèches 44, pour s'écouler en sens inverse dans l'espace 42. Le nombre de par- ticules d'impuretés dans l'air qui s'écoule en suivant le chemin 44 est donc notablement réduit, de façon que l'air qui traverse ensuite les trous 28 soit pratiquement exempt de telles particules d'impuretés, ce qui minimise la possibilité que de telles particules obturent les trous 28. Pour éliminer encore davantage toutes particules de poussière résiduelles, si c'était nécessaire, l'invention prévoit une seconde inversion de l'écoulement de l'air et l'emploi d'un ensemble supplémentaire de plus gros trous au- delà du point de cette inversion. Comme le montre la figure 2, les trous 28 sont inclinés vers l'arrière, ce qui fait que l'air qui circule en sens inverse le long du chemin 44 dans l'espace 42, doit inverser une seconde fois son sens d'écou- lement, pour traverser les trous 28. La branche 34 de l'écran 32 contribue à produire cette seconde inversion d'écoulement, en bloquant la poursuite de l'écoulement de l'air le long du chemin d'écoulement en sens inverse initial, 44, à l'extrémi- té avant de l'espace.42. Pour extraire toutes les particules d'impuretés résiduelles dans l'air qui circule dans l'espace 42, un second ensemble de plus gros trous 56 sont formiés. dans la chemise de chambre de combustion, en position adjacente à la.branche 34 de l'écran 32. Comme dans le cas de la première inversion de l'écoulement d'air, la seconde inversion d'écou- lement, qui se produit dans l'espace 42 lorsque l'air est dirigé de façon à traverser les trous 28, agit sur les parti- cules d'impuretés, plus lourdes, de façon qu'elles suivent un chemin, indiqué par la flèche 57, ayant un rayon supérieur, ce qui fait que ces particules sont dirigées au-delà des trous 28 et pénètrent dans les trous 56, ce qui réduit encore davantage la possibilité que des impuretés restant dans l'air traversent les trous 28. Pour faire en sorte que l'air qui traverse les trous 52 soit dirigé de façon générale le long' de la surface inté- rieure de la chemise 18, dans la direction indiquéepar la flèche 58, la chemise de chambre de combustion 18 est formée de façon à comprendre une lèvre ou une paroi d'arrêt 60, placée du côté intérieur des ouvertures 52 et à distance de celles-ci. Une lèvre ou paroi d'arrêt 62 similaire est formée dans une position distante des ouvertures 56, de façon que l'air qui traverse les ouvertures 56 soit dirigé le long de la chemise de chambre de combustion, dans la direction générale indiquée par la flèche 64. L'invention procure ainsi des moyens pour empêcher l'entrée directe de l'air dans les très petits trous 28, et pour faire en sorte qu'une partie de l'air s'écoulant sur la chambre de combustion inverse son sens d'écoulement avant d'atteindre les petits trous 28. De plus gros trous sont formés au point d'inversion et ils laissent passer les particules d'impuretés qui sont projetées vers l'extérieur, en direction de ces plus gros trous, au moment de cette inversion de l'écou- lement d'air. Pour assurer une élimination encore plus complète des particules d'impuretés, la structure de l'invention produit une seconde inversion de l'écoulement d'air, et un second en- semble de plus gros trous sont établis à une position située au-delà de cette seconde inversion, pour éliminer toutes les particules d'impuretés résiduelles restant dans l'air. Ainsi, l'air qui atteint finalement les petits trous est pratiquement exempt de particules d'impuretés, et le risque d'obturation de ces petits trous par des particules d'impuretés est minimisé. 2 6 1 0 7 0 t - 11 - REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion pour un moteur à turbine à gaz comportant une chemise (18,19) placée de façon à permet- tre l'écoulement d'un flux d'air de refroidissement (26) sur la surface extérieure de la chemise (18, 19) caractérisée en ce qu'elle comprend: (a) un ensemble de petits trous (28) dans la chemise, ces trous étant inclinés vers l'extrémité arrière de la chambre de combustion (16) pour diriger de l'air le long de la surface intérieure de la chemise (18, 19); (b) des premiers moyens (32) montés sur la chemise (18, 19) pour empêcher le passage direct de l'air vers les petits trous (28) et pour établir un chemin (44) ou l'écoulement d'air en sens inverse entre les premiers moyens (32) et la surface extérieure; (c) des seconds moyens (40, 46, 48) placés à l'arrière des premiers moyens (32), pour dévier une partie de l'air (26) et pour produire un écoulement en sens inverse de l'air dévié vers le chemin précité (44); et (d) un premier ensemble de plus gros trous (52), laissant passer des particules d'impuretés, formés dans la chemise (18, 19), au point d'inversion de l'écoulement de l'air. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premier moyens consistent en un écran (32) qui est fixé sur la surface extérieure de la chemise (18, 19) en avant des petits trous (28), et qui s'étend parallèlement à la surface extérieure, jusqu'à un point situé en arrière des petits trous, pour établir le chemin précité (44). 3. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble de petits trous (28) com- prend un nombre de trous notablement supérieur à celui de l'ensemble de plus gros trous (52). 4. Chambre de combustion selon la revendiation 1, caractérisée en ce que les petits trous (28) mesurent environ 0,5 mm de diamètre, et les plus gros trous mesurent environ 1,25 mm de diamètre. - 12 - 5. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers moyens consistent en un écran (32) ayant une section approximativement en L, qui comprend une première branche (34) fixée sur la chemise (18, 19) en avant des petits trous (28), et une seconde branche (36) qui s'étend de façon générale parallèlement à la chemise (18, 19) et jusqu'au-delà du dernier des petits trous (28), mais en-deça des plus gros trous (52), la première branche (34) empêchant le passage direct de l'air vers les petits trous (28), et empêchant également la poursuite de l'écoule- ment de l'air en sens inverse dans le chemin précité (44) et produisant une seconde inversion du sens d'écoulement de l'air, de façon à faire passer l'air par les petits trous (28). 6. Chambre de combustion selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'extrémité arrière de l'écran (32) comprend une partie courbée vers l'extérieur (46) pour faci- liter le guidage de l'écoulement d'air en sens inverse vers le chemin précité (44). 7. Chambre de combustion selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un guide d'écou- lement courbe (48) comportant une partie qui s'étend dans une direction générale parallèle à la partie courbe de l'écran (32), ce guide d'écoulement (48) étant fixé à la chemise (18, 19) en un point espacé par rapport à l'extrémité arrière de l'écran, pour établir, conjointement à l'extrémité arrière de l'écran, une entrée (38) facilitant l'écoulement de l'air en sens inverse dans le chemin précité (44). 8. Chambre de combustion selon la revendication 7, caractérisée en ce que les plus gros trous (52) sont disposés dans la partie arrière (54) de l'entrée (38), grâce à quoi les particules d'impuretés présentes dans l'air sont dirigées vers ces plus gros trous (52) pendant l'inversion du sens de l'écoulement d'air. 9. Chambre de combustion selon la revendication 5, - 13- caractérisée en ce qu'elle comprend, en plus du premier ensemble de plus gros trous (52), un second ensemble de plus gros trous (56) près de la première branche (34), pour per- mettre le passage des particules d'impuretés présentes dans l'air, lorsque le sens d'écoulement de l'air est inversé pour la seconde fois. 10. Chambre de combustion selon la revendication 9, caractérisée en ce que la chemise de chambre 'de combustion (18, 19) comprend une première lèvre (60) placée dans le chemin de l'air qui traverse le premier ensemble de plus gros trous (52), et une seconde lèvre (62) placée dans le chemin de l'air qui traverse le second ensemble de plus gros trous (56) , les première et seconde lèvres (60, 62) ayant pour effet de diriger le long de la surface intérieure de la chemise (18, 19), l'air qui traverse lesplus gros trous (52, 56).