Brevet FR2635577A1 — publié le 19900223

La présente invention a trait à des chambres de combustion pour moteurs à turbine à gaz et s'intéresse particulièrement au refroidissement des parois de la chambre de combustion. Une méthode conventionnelle pour refroidir les parois des chambres de combustion des moteurs à turbine à gaz utilise des anneaux de refroidissement qui sont disposés entre des sections de paroi séparées axialement et sont assujetties à elles. Ces anneaux de refroidissement sont pourvus de plusieurs ouvertures relativement grandes selon une rangée ou bien d'un certain nombre de rangées d'ouvertures relativement petites. Ces ouvertures dirigent l'récoulement du fluide de refroidissement sur la surface intérieure de la paroi pour former un film de fluide de refroidissement qui protège la paroi des températures élevées engendrées dans la chambre de combustion. Toutefois, de tels anneaux de refroidissement sont plutôt gaspilleurs de fluide de refroidissement. Un autre problème avec les anneaux de refroidissement est que les gradients thermiques créés au travers de l'anneau de refroidissement conduisent à la fissuration de l'anneau de refroidissement et le grand nombre d'ouvertures de refroidissement permet une propagation aisée des fissures et une rupture éventuelle de l'anneau de refroidissement. Une autre méthode conventionnelle pour refroidir la paroi des chambres de combustion de moteurs à turbine à gaz a recours à des parois formées de deux ou plus lamelles qui sont fLxées ensemble pour déterminer à travers elles des passages intemrnes pour le refroidissement par transpiration de fluide de refroidissement de la paroi. Le fluide de refroidissement est ensuite dirigé à travers des ouvertures à l'extérieur de la paroi pour donner un film de refroidissement du fluide sur la surface intérieure de la paroi. Ce système est plus efficace que les anneaux de refroidissement utilisant approximativement un tiers du fluide de refroidissement, mais la surface intérieure de la paroi tend à devenir relativement chaude en raison d'un refroidissement par film inefficace, les ouvertures étant disposées normalement à la surface intérieure et étant séparées par des distances relativement importantes. La présente invention vise à fournir une chambre de combustion d'une turbine à gaz avec un refroidissement par film amélioré des parois de la chambre de combustion. En conséquence, la présente invention fournit une chambre de combustion pour une turbine à gaz ayant au moins une paroi définissant au moins partiellement la chambre de combustion, la paroi ayant une surface intérieure et une surface extérieure, et ayant en outre au moins une rangée d'ouvertures s'étendant au travers elle pour amener le fluide de refroidissement sur la surface intérieure de la paroi et former un film de fluide de refroidissement sur cette surface, les axes des ouvertures étant disposés pour faire un angle entre 20 et 40 avec la surface intérieure de la paroi, chaque ouverture ayant une première portion et une seconde portion, la première portion étant conçue pour recevoir du fluide de refroidissement provenant du fluide de refroidissement s'écoulant le long de la surface extérieure de la paroi et pour amener le fluide de refroidissement à la seconde portion, la seconde portion étant divergente et conçue pour diriger le fluide de refroidissement le long de la surface intérieure de la paroi et former le film de fluide de refroidissement. Les axes des ouvertures peuvent être disposés à un angle entre 25 et 35 par rapport à hla surface intérieure de la paroi. Les portions divergentes des ouvertures peuvent être divergentes à un angle de 12,5 environ par rapport aux axes des ouvertures. La première portion des ouvertures peut être cylindrique. Les axes des ouvertures adjacentes dans chaque rangée peuvent être distants d'au moins trois fois le diamètre de la portion cylindrique des ouvertures. La paroi peut posséder au moins deux rangées d'ouvertures, les ouvertures dans 1S chaque rangée étant décalées par rapport aux ouvertures dans la ou les rangées adjacentes. Les rangées adjacentes d'ouvertures peuvent être distantes d'au moins deux fois le diamètre de la portion cylindrique des ouvertures. La portion cylindrique des ouvertures peut présenter un diamètre de 0,762 mm environ. La paroi peut être une paroi amont de la chambre de combustion. La paroi peut être une paroi tubulaire d'une chambre de combustion tubulaire, ou bien elle peut être une paroi intérieure annulaire d'une chambre de combustion annulaire, ou encore elle peut être une paroi extérieure annulaire d'une chambre de combustion annulaire. Une partie amont de la paroi peut présenter ses ouvertures selon des groupes séparés axialement, chaque groupe ayant trois rangées d'ouvertures. Une partie aval de la paroi peut présenter ses ouvertures selon des groupes séparés axialement, chaque groupe ayant deux rangées d'ouvertures. La présente invention va être décrite plus en détail au moyen d'exemples en regard des dessins joints sur lesquels: - la figure 1 est une vue partiellement écorchée d'un moteur à turbine à gaz montrant une chambre de combustion conformément à la présente invention, - la figure 2 est une coupe longitudinale agrandie de la chambre de combustion montrée sur la figure 1, - la figure 3 est une coupe longitudinale agrandie dune paroi extérieure annulaire de la chambre de combustion montrée sur la figure 2, 3 2635577 - la figure 4 est une vue dans la direction de la flèche A de la figure 3, - la figure 5 est une coupe longitudinale agrandie d'une partie de la paroi extérieure annulaire montrée sur la figure 3, - la figure 6 est une vue dans la direction de la flèche B de la figure 5, S - la figure 7 est une vue dans la direction de la flèche C de la figure 5, - la figure 8 est une coupe dans la direction des flèches D-D de la figure 5, - la figure 9 est une coupe agrandie à travers la paroi amont montrée sur la figure 2 dans un plan perpendiculaire au plan de la feuille, - la figure 10 est une vue dans la direction de la flèche E de la figure 9. Un moteur 10 à turbine à gaz à turbosoufflante est montré sur la figure 1. Et celui-ci comprend en série dans le sens de récoulement axial une admission 12, une section 14 de soufflante, une section 16 de compresseur, une section 18 de chambre de combustion, une section 20 de turbine et une tuyère 22 d'échappement. Le fonctionnement du moteur 10 à turbine à gaz à turbosoufflante est parfaitement conventionnel: de rair s'écoule au sein de l'admission 12 et la section 15 de soufflante lui transmet une compression initiale. Cet air est divisé en deux parties. La première partie de rair passe à travers la conduite de soufflante (non représentée) vers la tuyère de soufflante (non représentée). La seconde partie de l'air est amenée vers la section 16 de compresseur ou l'air est comprimé davantage avant d'être fourni à la section 18 de chambre de combustion. Du carburant est brûlé dans rair fourni à la section 18 de chambre de combustion afin de donner des gaz chauds qui s'écoulent à travers la section 20 de turbine et entraînent cette dernière avant de passer à travers la tuyère 22 d'échappement jusque dans l'atmosphère. La section 20 de turbine est conçue pour entraîner la section 14 de soufflante et la section 16 de compresseur par l'intermédiaire d'arbres (non représentés). La section 18 de chambre de combustion est montrée plus en détail sur les figures 2 à 10. La section de chambre de combustion comprend un carter 24 extérieur et une chambre 26 de combustion annulaire enveloppée par le carter 24. La chambre 26 de combustion annulaire est définie par une paroi 28 amont annulaire, une paroi 30 extérieure annulaire et une paroi 32 intérieure annulaire. Un passage 25 extérieur annulaire est ménagé pour l'récoulement de rl'air de refroidissement entre le carter 24 et la paroi 30 extérieure annulaire. De même, un passage 27 intérieur est ménagé pour récoulement de refroidissement au sein de la paroi 32 intérieure annulaire. La paroi 28 amont annulaire est pourvue de plusieurs ouvertures 36 disposées circonférentiellement à égale distance les unes des autres, et un injecteur 34 de carburant est placé coaxialement dans chacune des ouvertures 36. La paroi 28 amont annulaire comprend un élément 37 de paroi amont et un élément 38 de paroi aval avec 4 2635577 une chambre 39 défmie entre eux deux. L'élément 37 de paroi amont comporte plusieurs ouvertures (non représentées) pour alimenter en air la chambre 39. L'élément 38 de paroi aval montré sur les figures 9 et 10 est constitué de plusieurs secteurs 54 arqués, chacun d'eux ayant une ouverture 40 centrale ménagée dans rensemble en son centre afin de recevoir un injecteur 34 de carburant. Chaque secteur 54 est assujetti à rélément 37 de paroi amont par un certain nombre de boulons 64 et d'écrous (non représentés). Les secteurs 54 de l'élément 38 de paroi aval ont une surface intérieure 56 et une surface extérieure 58. Par ailleurs, les secteurs 54 sont munis de plusieurs rangées d'ouvertures 60 qui s'étendent à travers eux et amènent l'air de refroidissement depuis la chambre 39 jusque sur la surface intérieure 56 des secteurs 54 pour donner un film d'air de refroidissement. Les rangées d'ouvertures 60 s'étendent radialement par rapport à l'axe de la chambre 26 de combustion annulaire. Les ouvertures 60 sont disposées de sorte que leurs axes font un angle entre 20 et 40 par rapport à la surface intérieure 56 des secteurs 54. Les ouvertures 60 ont des premières portions qui sont cylindriques et des secondes portions qui sont divergentes. Les portions cylindriques amènent rair de refroidissement depuis la chambre 39 jusqu'aux portions divergentes, et les portions divergentes dirigent rair de refroidissement sur la surface intérieure 56 des secteurs 54 afin de donner un film d'air de refroidissement. Les portions divergentes des ouvertures divergent à un angle, dans cet exemple, de 12,5 par rapport aux axes des ouvertures. Les axes des ouvertures 60 adjacentes dans chaque rangée sont distants de trois fois le diamètre de la portion cylindrique de l'ouverture. Il convient de noter que les rangées d'ouvertures 60 sont disposées-en groupes de trois rangées, chaque groupe de rangées d'ouvertures étant distant d'un certain angle du groupe suivant. Les ouvertures dans chaque rangée sont décalées par rapport aux ouvertures dans la ou les rangées adjacentes dans ce groupe. Les rangées adjacentes des ouvertures dans chaque groupe sont distantes d'au moins deux fois le diamètre de la portion cylindrique des ouvertures. Il y a deux groupes de trois rangées d'ouvertures 60 sur une moitié circonférentielle d'un secteur 54 et deux autres groupes de trois rangées d'ouvertures sur rautre moitié circonférentielle de ce secteur 54. Ces groupes d'ouvertures 60 sont disposés de façon à diriger rair de refroidissement dans une direction circonférentielle vets rouverture 40 centrale. La paroi 30 extérieure annulaire montrée sur les figures 3 à 8 a une surface intérieure 44 et une surface extérieure 46 et possède plusieurs rangées d'ouvertures 48. Les ouvertures 48 s'étendent à travers la paroi 30 extérieure annulaire pour amener de rair de refroidissement depuis le passage 25 annulaire extérieur jusque sur la surface - 5 2635577 intérieure 44 de la paroi 30 extérieure annulaire et donner un film d'air de refroidissement. Les rangées d'ouvertures 48 s'étendent circonférentiellement par rapport à l'axe de la chambre 26 de combustion annulaire. Les ouvertures 48 sont disposées de sorte que leurs axes font un angle entre 20 et 40 par rapport à la surface intérieure de la paroi 30 extérieure annulaire. Les ouvertures 48 ont des premières portions 50 qui sont cylindriques et des secondes portions 52 qui sont divergentes. Les portions 50 cylindriques amènent l'air de refroidissement s'écoulant le long de la surface extérieure 46 de la paroi 30 extérieure annulaire dans le passage 25 annulaire extérieur jusqu'aux portions 52 divergentes. A leur tour, les portions divergentes 52 dirigent rair de refroidissement vers raval le long de la surface intérieure 44 de la paroi extérieure annulaire pour donner un film d'air de refroidissement. Les portions 52 divergentes des ouvertures 48 divergent avec un angle a - 12,5 par rapport aux axes des ouvertures 48. Les axes des ouvertures 48 adjacentes dans chaque rangée sont distants d'une distance S. La distance S est trois fois le diamètre d de la portion 50 cylindrique des ouvertures 48. Les portions 52 divergentes des ouvertures 48 divergent dans une direction circonférentielle pour donner une ouverture en forme de soufflante. Il convient de noter que les rangées d'ouvertures 48 sont disposées en groupes de trois rangées le long d'une partie amont 31 de la paroi 30 extérieure annulaire et sont disposées en groupes de deux rangées le long d'une partie 33 aval de la paroi 30 extérieure annulaire. Chaque groupe de trois rangées d'ouvertures dans la partie 31 amont ou chaque groupe de deux rangées d'ouvertures dans la partie 33 aval est axialement distant du groupe suivant. Les ouvertures 48 dans chaque rangée sont décalées par rapport aux ouvertures 48 dans la ou les rangées adjacentes dans ce groupe. Les rangées adjacentes d'ouvertures 48 dans chaque groupe sont distantes d'au moins deux fois le diamètre d de la portion 50 cylindrique des ouvertures 48. De préférence, les ouvertures 48 sont disposées de sorte que leurs axes font un angle entre 25 et 35 par rapport à la surface intérieure 44 de la paroi 30 extérieure annulaire. Les portions 50 cylindriques des ouvertures 48 ont, dans cet exemple, un diamètre d de 0,762 mm et les ouvertures sont pratiquées par forage laser ou d'autres méthodes convenables. La distance S, ou écartement, entre les ouvertures est la dimension la plus importante. En outre elle est liée à rangle de divergence des ouvertures. La distance S entre les ouvertures augmente avec l'angle de divergence des ouvertures. Dans cet exemple, l'angle a de divergence des ouvertures vaut 12,5 et la distance S vaut trois 6 2635577 fois le diamètre d. Des ouvertures ayant des angles a plus grands que 12, 5 auront une distance S supérieure à trois fois le diamètre d. Les ouvertures sont inclinées par rapport à la surface intérieure de la paroi amont ou la paroi extérieure annulaire de sorte que l'air de refroidissement s'écoulant à travers les ouvertures forme un film d'air de refroidissement sur la surface intérieure de la paroi amont ou la paroi extérieure annulaire. Des ouvertures disposées à 90 par rapport à la surface intérieure des parois ne forment pas de films d'air de refroidissement, car l'air de refroidissement ne s'écoule pas le long de la surface intérieure de la paroi. Les ouvertures sont divergentes afin d'améliorer refficacité du film d'air de refroidissement en réduisant la vitesse de rair, en amenant l'air de refroidissement à se répandre et à fusionner avec l'air de refroidissement provenant d'ouvertures adjacentes dans chaque rangée, et également afin d'assurer que le film de refroidissement reste sur la surface intérieure des parois. Toutefois, avec l'unique rangée d'ouvertures, bien que l'efficacité du refroidissement soit améliorée, les gaz chauds produits dans le processus de combustion sont dans une certaine mesure entraînés entre le film d'air de refroidissement et la surface intérieure des parois. Le recours à plusieurs rangées d'ouvertures faiblement distantes les unes des autres et disposées en un groupe est particulièrement fructueux. En effet, le film d'air de refroidissement déchargé sur la surface intérieure de la paroi par la première rangée d'ouvertures agit tel une barrière pour empêcher l'entraînement des gaz chauds entre le film de refroidissement produit par la seconde rangée d'ouvertures et la surface intérieure de la paroi. De façon similaire, les films d'air de refroidissement déchargés sur la surface intérieure de la paroi par la seconde rangée d'ouvertures agit- tels une autre barrière pour empêcher l'entraînement des gaz chauds entre le film de refroidissement produit par la troisième rangée d'ouvertures et la surface intérieure de la paroi. Le recours à plusieurs rangées d'ouvertures faiblement distantes les unes des autres donne un film d'air de refroidissement plus épais qui évite que les gaz chauds ne viennent au contact de la surface intérieure des parois. L'utilisation de parois avec des ouvertures de refroidissement telles que décrites est plus efficace que l'anneau de refroidissement de raft antérieur. Cela tient au fait qu'elle nécessite une quantité plus faible d'air pour refroidir la même surface. L'invention utilise approximativement deux tiers de la quantité d'air de refroidissement utilisée par l'anneau de refroidissement de l'rart antérieur. 7 2635577 La paroi intérieure annulaire peut aussi être pourvue de rangées d'ouvertures disposées de façon comparable aux rangées d'ouvertures dans la paroi extérieure annulaire. Bien que l'invention ait été décrite en faisant référence à une chambre de combustion annulaire, elle peut aussi bien être appliquée à des chambres de combustion tubulaires ou d'autres conceptions de chambre de combustion. Les rangées d'ouvertures de refroidissement sont simples à créer et elles peuvent être disposées axialement et/ou circonférentiellement à tout endroit faisant face aux points localement chauds. En d'autres termes, il est possible de trouver des dispositions locales de rangées d'ouvertures de refroidissement qui donnent un refroidissement par film des zones de la chambre de combustion qui sont normalement surchauffées. Les portions divergentes d'ouvertures adjacentes dans chaque rangée sont conçues de telle sorte que les portions divergentes ne se rejoignent pas, c'est-àdire un espace sépare les portions divergentes d'ouvertures adjacentes dans chaque rangée. 8 2635577 Revendications: 1.- Chambre de combustion pour un moteur à turbine à gaz comprenant au moins une paroi définissant au moins partiellement la chambre de combustion, la paroi ayant une surface intérieure et une surface extérieure, la paroi ayant au moins une rangée d'ouvertures s'étendant au travers elle pour amener du fluide de refroidissement sur la surface intérieure de la paroi afin de former un film de fluide de refroidissement sur la surface intérieure de la paroi, caractérisée en ce que les axes des ouvertures sont disposés pour faire un angle entre 20 et 40 avec la surface intérieure (44) de la paroi (30), chaque ouverture (48) ayant une première portion (50) et une seconde portion (52), la première portion (50) de chaque ouverture (48) étant conçue pour recevoir du fluide de refroidissement à partir de fluide de refroidissement s'écoulant le long de la surface extérieure (46) de la paroi (30) et pour amener le fluide de refroidissement à la seconde portion (52), la seconde portion (52) de chaque ouverture (48) étant divergente et étant conçue pour diriger le fluide de refroidissement le long de la surface intérieure (44) de la paroi (30) pour former le film de fluide de refroidissement. 2.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que les axes des ouvertures (48) sont disposés à un angle entre 25 et 35 par rapport à la surface intérieure (44) de la paroi (30). 3.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que les secondes portions (52) des ouvertures (48) sont divergentes à un angle de 12,5 environ par rapport aux axes des ouvertures (48). 4.- Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée en ce que les premières portions (50) des ouvertures (48) sont cylindriques. 5.- Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que les axes d'ouvertures (48) adjacentes dans chaque rangée sont distants d'au moins trois fois le diamètre de la portion (50) cylindrique des ouvertures (48). 6.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi (30) comporte au moins deux rangées d'ouvertures (48), les ouvertures (48) dans chaque rangée étant décalées par rapport aux ouvertures (48) dans la ou les - rangées adjacentes. 7.- Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que la paroi (30) possède au moins deux rangées d'ouvertures (48), les ouvertures (48) dans chaque rangée étant décalées par rapport aux ouvertures (48) dans hla ou les rangées adjacentes et en ce que la rangée adjacente d'ouvertures (48) est distante d'au moins deux fois le diamètre de la portion cylindrique (50) des ouvertures (48). 8.- Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que la portion cylindrique (50) des ouvertures (48) a un diamètre de 0,762 mm environ. 9.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi est une paroi amont (38) de la chambre (26) de combustion. 10.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi est une paroi tubulaire d'une chambre de combustion tubulaire. 11.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi est une paroi (32) intérieure annulaire d'une chambre de combustion (26) annulaire. 12.- Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi est une paroi (30) extérieure annulaire d'une chambre de combustion (26) annulaire. 13.- Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la paroi (30) a une partie amont (31), la partiç amont (31) comportant les ouvertures (48) disposées en groupes séparés axialement, chaque groupe ayant trois rangées d'ouvertures (48). 14.- Chambre de combustion selon la revendication 13, caractérisée en ce que la paroi (30) a une partie aval (33), la partie aval (33) comportant les ouvertures (48) disposées en groupes séparés axialement, chaque groupe ayant deux rangées d'ouvertures (48).