Brevet FR2644876A1 — publié le 19900928

La présente invention concerne des cages de flammes pour chambres de post-combustion de moteurs à turbine à gaz. Dans les moteurs des avions militaires fonctionnant avec des chambres de post-combustion (pour améliorer la poussée),dans certaines conditions, le dégagement instable de chaleur est couplé aux fluctuations de la pression acoustique et cela se traduit par de grandes oscillations instables de la pression. Si l'on ne supprime pas ces oscillations instables, on peut craindre une désintégration instantanée du matériel de la chambre de postcombustion, par exemple des cages de flammes, des injecteurs de carburant, des garni- tures, etc. En général, on utilise des garnitures phoniques classiques pour supprimer les oscillations instables de la pression. La garniture présente de petits trous qui agissent en résonateur de Helmholz et absorbent l'énergie des fluctua- ctions instables de la pression. Ce procédé souffre d'un certain nombre d'inconvénients: (1) il est coûteux car le motif des trous ménagés dans la garniture et leurs dimensions déterminent les modes et les fréquences des oscillations absorbées effectivement par la garniture, et ces modes et fréquences ne peuvent être prévus à l'avance pour une configuration nouvelle; (2) la garniture doit être refroidie et par conséquent il y a dégradation des performances de la chambre de post-combustion et de l'efficacité du moteur; et (3) la garniture est inefficace aux basses fréquences. 2- Les chambres courantes de post-combustion utilisent un ou plusieurs anneaux concentriques d'éléments en forme de V, appelés parfois cages de flammes, comme stabilisateurs de flamme. Les brûleurs ont environ 3,8-5 cm de largeur et une profondeur d'environ 3,8-5 cm. Le demi-angle fermé d'une cage typique est généralement d'environ 20-24 . Le blocage global de l'écoulement gazeux dans la zone de la chambre de post- combustion qu'offrent les cages est d'environ 20 à 30%, plus particulièrement d'environ 25%. Le carburant est pulvérisé en amont de la cage. La flamme est établie au droit des lèvres de la cage situées en aval et est maintenue par les produits remis en circulation dans le sillage de la cage. La combustion se produit en aval de la cage et est généralement instable. Dans certaines conditions, la chaleur instable s'accompagne de fluctuations de la pression acoustique dans la cavité de la chambre de post-combustion, ce qui donne des oscillations instables de la pression. Celles-ci ont généra- lement une fréquence de 500 Hertz ou plus. On a admis que le mécanisme principal qui est responsable des oscillations instables de la pression est l'interaction entre les tourbillons (le sens transversal), c'est-à-dire que les axes des tourbillons sont transversaux au sens de l'écoulement, se répendant-au droit des lèvres de la cage. Comme ces tourbillons se propagent vers l'aval, ils entrainenent les produits chauds remis en circulation, forment des paires et s'accouplent les uns avec les autres. Après un certain laps de temps, en fonction du carburant, de la vitesse, etc., les produits brûlent et libèrent de la - chaleur, ce qui a un effet sur le champ de la pression - dynamique dans la cavité de la chambre de post-combustion. Les fluctuations de la pression ainsi produites au droit des lèvres de la cage créent des tourbillons supplémentaires et le processus se répète. Si la fréquence à laquelle ce processus se produit est appariée -au mode acoustique du dispositif (en fonction de la géométrie), un couplage se - 3 - produit et des oscillations instables de la pression se développent. Cependant, les tourbillons ont pour effet de mélanger les réactifs froids avec les produits chauds et sont par conséquent extrêmement importants dans le maintien de la flamme. Les cages sont par conséquent essentielles dans la chambre de post-combustion. Le problème est de trouver le moyen de réduire les oscillations instables de la pression, c'est-à-dire d'éliminer le recours à la garniture acoustique coûteuse tout en ramenant les oscillations instables de la pression à des valeurs acceptables. Une cage de chambre de post-combustion pour moteur à turbine à gaz du type comportant un cône central de diffuseur, une enveloppe extérieure et un moyen d'injection du carburant entre l'enveloppe et le cône qui définissent une zone de la chambre de post-combustion comprend un élément annulaire en forme de V destiné à être fixé au moteur dans la zone de la chambre de post-combustion située entre l'envelop- pe et le cône avec le sommet du V en regard de l'amont dans le sens axial allant vers le moyen d'injection de carburant et les lèvres en aval. Une multitude d'éléments créant des tourbillons, espacés les uns des autres, sont fixés aux lèvres de l'élément annulaire et s'étendent à partir d'elles. Les éléments créant des tourbillons sont disposés et dimen- sionnés de manière à créer des tourbillons alternatifs axiaux et transversaux de gaz se propagent sur la cage en traversant la zone de la chambre de post-combustion. La combinaison des tourbillons transversaux et axiaux a tendance à minimiser les oscillations instables de la pression. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une élévation en coupe d'un moteur à turbine à gaz donné à titre d'illustration qui comporte une chambre de post-combustion et un mode de réalisation de la présente invention. figure 2, une vue isométrique d'une cage employée dans 4 - le mode de réalisation de la figure 1; figure 3, une élévation en bout d'une cage prise le long des lignes 3-3, figure 1; figure 4, une élévation de côté en coupe de la cage de la figure 2 prise le long des lignes 4-4, et figure 5, un diagramme permettant d'expliquer certains des principes de la présente invention. En figure 1, un moteur 10 à turbine à gaz comporte une enveloppe extérieure 12 renfermant une zone 14 de chambre à post-combustion. Le moteur 10 comprend un cône 16 de diffuseur placé concentriquement autour de son axe 18. L'axe 18 est en même temps celui de l'enveloppe 12. Le moteur comprend en outre des tuyères 20 et des aubes 22 de turbine disposés annulairement. Des anneaux 24 d'injection du carburant sont fixés en aval des aubes 22 et des tuyères 20 encerclant la zone 16 du cône du diffuseur. Trois cages annulaires 26, 28 et 30 selon la présente invention et de diamètres différents sont placées en aval des anneaux 24. La cage 26 est représentative de la cage de la présente invention et sera discutée en détail ci-après. Les cages 26, 28 et 30 sont supportées par des structures (non représentées en figure 1). Les structures de support fixent les bords extérieurs des cages à l'enveloppe 12. En variante, dans d'autres modes de réalisation de moteurs à turbine à gaz, les cages peuvent être fixées à une structure intérieure radiale. A l'arrière du moteur se trouvent des volets annulaires primaire et secondaire 32 et 34 d'échappement, respectivement. Le moteur 10, figure 1, correspond aux turboréacteurs qu'on rencontre dans le commerce tels que les moteurs AJ79 de la société General Electric. En variante, les cages 26, 28 et 30 de la présente invention peuvent être employées dans les réacteurs à double flux tels que le moteur F100 de la société Pratt et Witney. Pour avoir des informa- tions plus détaillées sur les chambres de post-combustion et les moteurs à turbine à gaz d'avion, on se reportera aux - 5- articles "The Aerothermodynamics of Aircraft Gaz Turbine Engines" de Gordon C. Oates, rapport AFAPL-TR-78-52, Wright- Patterson Air Force Base, Ohio, chapître 21, Afterburners de E.E. Zukoski, California Institute of Technology. En figures 2, 3 et 4, on a représenté une cage 26 à titre d'illustration. La cage 26 comprend un élément 40 en forme de V. L'élément 40 a un sommet 42 dirigé vers l'amont, figure 1, afin de recevoir l'écoulement direct des gaz traversant les tuyères 20, les aubes 22 et les anneaux 24 d'injection du carburant. L'axe du sommet 42 correspond à l'axe 18. L'élément 40 comporte deux paroix latérales 44 et 46 évasées, de préférence en tôle. Les parois latérales 44 et 46 définissent un angle inclus a qui peut être compris entre environ 30-50 , de préférence entre 40-48 . Une multitude de pattes 48 ont la même longueur que la paroi latérale 44. Les pattes 48 s'évasent dans la direction de l'intérieur, vers l'axe 18, dans le prolongement du plan de la paroi latérale 44, les pattes 48 étant constituées des mêmes matériaux que la paroi 44. Une multitude de pattes 50 s'étendent à partir de la paroi latérale 46 et ont la même longueur que celle-ci. Les pattes 50 s'évasent vers l'extérieur, en s'éloignant de l'axe 18 et sont constituées du même matériau que la paroi latérale 46. Toute la structure du la cage 26 est constituée de la même tôle. On forme les pattes 48 et 50 en enlevant des ouvertures rectangulaires de la tôle dans des zones alternées comme cela est représenté. Par exemple, en figure 3, les pattes 50 sont situées sur des lignes radiales 51 et les pattes 48 sur des lignes radiales 53, les lignes 51 et 53 étant en alternance autour de l'axe 18. Les pattes ont une longueur d qui est égale à environ la moitité de leur largeur 1. Toutes les pattes 48 d'une paroi sont identiques et toutes celles- de l'autre paroi 50 le sont également. Toutes les ouvertures entre les pattes respectives ont également les mêmes dimensions que celles des pattes pour cette paroi. - 6 - Cependant, les pattes 50 situées sur un diamètre plus grand que les pattes 48 sont nécessairement plus grandes que ces dernières. La largeur i des pattes par rapport à la longueur d est importante. On pense que ces dimensions peuvent changer en fonction de la température de l'air d'admission et de la vitesse du gaz. Il existe une valeur optimum pour la profondeur d par rapport à la largeur 1 des pattes dans le but d'optimiser le silence de fonctionnement. On pense que la relation d = 2 1 est la plus efficace à cet effet. Cependant, s'il y a augmentation du blocage de l'écoulement gazeux au- delà, par exemple d'environ 20 à 30 %, plus particulièrement d'environ 25% de la zone de l'écoulement gazeux de la chambre de post-combustion du moteur 10, figure 1, la flamme peut devenir instable, osciller et augmenter d'intensité et éventuellement provoquer des retours de flamme. Les pattes 48 de la paroi latérale intérieure 44 de la cage 26 ont donc une position qui alterne avec celle des pattes 50 de la paroi latérale extérieure 46 dans la direction circonférentielle autour de l'axe 18. Les pattes intérieures et extérieures sont en alternance de manière à provoquer le mélange des tourbillons des gaz traversant la zone de la chambre de post-combustion. Cet agencement en alternance des pattes intérieures et extérieures dans le sens axial de l'écoulement, par exemple dans le sens 54 de la figure 1, est tel que les gaz traversent les ouvertures 55 ménagées dans la paroi latérale 46 et se mélangent aux gaz qui frappent la patte alignée 48 de la paroi 44. Inversement, un gaz frappant la patte 50" de la paroi 46 produit des tourbillons qui se mélangent avec les gaz passant par une ouverture située entre les pattes 46' et 46" adjacentes de la paroi 44. Par exemple, en figure 3, supposons que le gaz passe par l'ouverture 56 située entre les pattes 50' et 50". Le gaz circulera aussi sur la patte 46'. Ces gaz s'écouleront vers le lecteur dans une direction quelque peu parallèle à l'axe 18 avant de tomber sur la surface de la patte 46' et de l'élément 40 de la cage. Lorsque les gaz frappent la patte 46', ils sont déviés vers l'intérieur, dans la direction de l'axe 18. Ces gaz ont tendance à s'écouler sur le bord extérieur 60 de la patte 46' et les deux bords latéraux 62 et 64. L'écoulement des gaz sur les bords 60, 62 et 64 créé des tourbillons dans la zone des gaz traversant l'ouverture 56 dans la même direction générale que les gaz passant sur les bords 62 et 64. En figure 5, supposons que les gaz s'écoulent sur l'élément 40 dans le sens de la flèche 66. Les gaz continuent à s'écouler sur la patte 46'. Une basse pression est crée dans la section intérieure de l'élément 40 dans la zone 68. Cette basse pression a pour effet que l'écoulement gazeux forme des tourbillons 70 lorsque le gaz passe sur le bord 60 en aval de la patte 46'. Les tourbillons 70 ont des axes 72. Les axes 72 sont appelés axes transversaux car ils sont transversaux à la direction 66. Le gaz circule aussi sur les bords latéraux 62 et 64 de la patte 46', créant des tourbillons respectifs 74 et 76. Les tourbillons 74 et 76 ont des axes 74' et 76', respectivement, qui sont généralement parallèles au sens d'écoulement 66 et sont appelés tourbil- lons dans le sens d'écoulement. On pense que les tourbillons 74 et 76 dans le sens de l'écoulement contribuent à la réduction des oscillations instables de la pression lors de la combustion des gaz en aval de la cage. On pense que le mécanisme primaire à l'origine des oscillations instables de la pression est l'interaction entre les tourbillons dans le sens transversal qui se produisent au droit des lèvres de la cage de la technique antérieure, lesquelles sont des lèvres circulaires continues. Comme on l'a indiqué dans l'introduction, ces tourbillons transversaux se propagent vers l'aval, entraînent les produits chauds mis en circulation, s'appairent et s'accouplent les uns aux autres sauf à en être empêchés par les tourbillons produits dans le sens d'écoulement par la -8- cage de la présente invention. Après un certain laps de temps (fonction du carburant, de la vitesse, etc.), les produits chauds brûlent et libèrent de la chaleur, laquelle a un effet sur le champ de pression dynamique dans la cavité. Les fluctuations résultantes de la pression au droit des lèvres de la cage provoquent un autre ensemble de tourbillons et ainsi le processus se répète. Si la fréquence à laquelle ce processus se produit est appariée au mode acoustique du système (en fonction de la géométrie), un couplage, sauf à l'éviter, se produit et il y a développement des fluctuations instables de la pression. La cage 26 combine les tourbillons transversaux 70 aux tourbillons 74 et 76 produits dans le sens de l'écoule- ment. Les tourbillons produits dans le sens de l'écoulement qui sont créés par les bords 62 et 64 sur la longueur des pattes, telles que la patte 46', et les tourbillons transver- saux créés au droit des bords des lèvres, tels que le bord , sont tels que les tourbillons se produisant dans le sens de l'écoulement ont une intensité plus faible que les tourbillons transversaux. On pense que les tourbillons se produisant dans le sens de l'écoulement interagissent avec d'autres tourbillons situés plus en aval, là o la combustion est plus ou moins complète. D'une façon similaire, les tourbillons transversaux ne forment pas des paires à cause de l'ensemble intermédiaire des tourbillons se développant dans le sens de l'écoulement. Plus précisément, les tourbillons créés par les bords 60 et 60', figure 3, se produisent entre les tourbillons créés par les bords 62 et 64 des pattes 46' et 48 adjacentes suivantes, à titre d'exemple. En outre, les tourbillons créés par les pattes extérieures, par exemple les pattes 50' et 50", sont séparés par les tourbillons intermé- diaires créés par la patte 46', etc. Les tourbillons dus au bord de la patte 56' entre les pattes 50 avec une seule patte ' et 50" et le bord 60 de la patte opposée en aval 46' se trouvent dans des plans différents et sont plus espacés qu'en -9- l'absence de pattes. Par conséquent, on pense que les tourbillons transversaux ne sont pas suffisamment proches pour s'accoupler et interagir, alors que les tourbillons produits dans le sens de l'écoulement minimisent la résonance d'une telle interaction et, donc, la création des oscilla- tions indésirables. Cependant, on obtient un mélange énergi- que à l'aide des tourbillons se produisant dans le sens de l'écoulement, lesquels entraînent les produits chauds alors qu'ils se propagent vers l'aval. On peut voir que les tourbillons produits dans le sens de l'écoulement augmentent le mélange et réduisent le frottement. Cependant, il est important qu'au bord d'une patte, tel que le bord 60 de la patte 46', figure 3, soit opposé à un bord 56' d'une ouverture 56 se trouvant entre deux pattes adjacentes 50' et 50" contiguës à l'ouverture des parois latérales opposées de la cage, par exemple des parois latérales 44 et 46, respectivement. Ces relations se répètent pour la totalité de la cage. On peut introduire de multiples cages du type ayant la forme représentée en figures 3 et 4 dans une chambre de post- combustion donnée en fonction du volume de la zone de post- combustion devant être bloqué. Il est important que les lèvres de l'élément 40 de la cage au droit des bords, par exemple des bords 60, et au droit des bords des ouvertures, par exemple l'ouverture 56, des pattes soient alternées afin de produire une turbulence déphasée et améliorer le processus de mélange. Par l'introduction tant de tourbillons se développant dans le sens de l'écoulement que de tourbillons transversaux sur les deux parois latérales de la cage, il se développe une turbulence suffisante pour obtenir un mélange optimum de l'écoulement gazeux tout en réduisant à des valeurs acceptables les oscillations instables de la pression dues à la résonance. En empêchant l'établissement d'oscilla- tions acoustiques des fronts d'onde grâce à la présence des - tourbillons développés dans le sens de l'écoulement et des 26448 6 - 10 - tourbillons transervaux dans l'écoulement gazeux, on évite d'avoir recours à une garniture acoustique. Dans un mode de réalisation de l'invention, une cage typique peut comporter un élément annulaire ayant un diamètre de 0,9 m, une séparation des lèvres au droit des bords extérieurs des pattes d'environ 3,8cm et une profondeur totale des lèvres de 4,5cm par rapport aux bords extérieurs des pattes. Les pattes ont une longueur d de 1,5cm et une profondeur 1 d'environ 2,5cm. L'angle inclus a de la cage 26 peut être quelque peu supérieur à l'angle inclus d'une cage typique de la technique antérieure dans le but de fournir le blocage équivalent de l'écoulement gazeux. Les bords des lèvres des pattes, tels que le bord 60 de la patte 46', sont de préférence perpendiculaires aux côtés tels que les bords 62 et 64. Cette relation normale introduit un différentiel maximum dans le sens des tourbil- lons de l'écoulement gazeux au bord. Alors que les bords 62 et 64 peuvent aller en se rapprochant au lieu d'être perpendiculaires au bord 60, les tourbillons ainsi obtenus auront tendance à se trouver moins dans le sens de l'écoule- ment et davantage dans le sens transversal, réduisant l'efficacité de la réduction des oscillations instables de la pression. Cependant, on ne pense pas que les bords 60 et 62 puissent aller en diminuant jusqu'à se rencontrer car on pense que l'écoulement résultant ne produirait pas les tourbillons essentiels au mélange. Dans un essai en soufflerie, employant un écoulement d'air de 22 m/s et une température de l'air d'admission de 260 C au maximum avec une cage ayant une. construction quelque peu similaire à celle décrite ci-dessus, le niveau de bruit obtenu fut réduit d'un facteur d'environ 5 (la valeur de la pression du son fut abaissée de 10dB ou plus dans toutes les conditions). En figure 3, une cage typique 26 est fixée à l'enveloppe 12 par une multitude de supports 80 s'étendant 26-44876 - 11 - radialement. Les supports 80 sont fixés à l'élément 40 au droit de la surface extérieure de la paroi latérale 46. Les supports 80 peuvent être constitués de tiges cylindriques ou de gouttières en forme de V. En variante au support de la cage 26 par une surface annulaire extérieure telle que l'enveloppe 12, on peut la fixer à une structure interne située dans la position du cône 16 en conformité avec une mise en oeuvre donnée d'un moteur. - 12 - -REVENDICATIONS- 1. Cage de flammes (26; 28; 30) pour chambre de post- combustion dans un moteur (10) à turbine à gaz,-le moteur comportant un cône central (16) de diffuseur, une enveloppe extérieure (12) et des moyens d'injection de carburant (24) entre l'enveloppe et le cône définissant une zone (14) de chambre de post-combustion, caractérisé en ce qu'il comprend: un élément annulaire en forme de V (40) destiné à être fixé au moteur dans la zone de la chambre de post-combustion entre l'enveloppe et le cône avec le sommet (42) du V dirigé vers l'amont dans le sens axial allant vers les moyens d'injection du carburant, les lèvres de l'élément étant en regard de l'aval; et une multitude d'éléments créant des tourbillons, espacés les uns des autres, fixés aux lèvres de l'élément annulaire et s'étendant à partir de celles-ci, les éléments créant des tourbillons étant disposés et dimensionnés de manière à créer des tourbillons axiaux (74, 76) et transver- saux (70) du gaz s'écoulant sur la cage en traversant la zone (14) de la chambre de post-combustion de façon que les tourbillons axiaux soient alternés et se mélangent avec les tourbillons transversaux dans la zone située en aval de l'élément annulaire. 2. Cage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments créant des tourbillons comportent une multitude d'extensions (48, 50), de forme rectangulaire, de l'élément annulaire. 3. Cage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les extensions d'une lèvre donnée sont situées dans un plan donné, ont les mêmes dimensions et sont espacées les unes des autres de la même distance autour de l'élément annulaire. 4. Cage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle est définie par des premières et secondes parois latérales (44, 46), les éléments créant des tourbillons - 13 - comprenant des extensions des parois latérales de même étendue que cellesci, les éléments créant des tourbillons sur la première paroi latérale se trouvant dans un trajet des gaz situé entre les éléments créant des tourbillons sur la seconde paroi latérale 'dans le sens axial généralement parallèle à l'écoulement des gaz dans la- zone de la chambre de post-combustion. 5. Cage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle inclus (a) défini par l'élément annulaire est compris entre 30 et 50 . 6. Cage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément en forme de V comprend des première et seconde parois latérales (44, 46) définissant un angle inclus (a), les parois latérales se terminant chacune au droit d'une lèvre annulaire correspondante séparée, chaque lèvre annu- laire ondulant pour former les éléments créant des tourbil- lons, les ondulations de la première paroi latérale étant déphasées par rapport à celles de la seconde paroi latérale, les ondulations de chaque paroi latérale étant telles que les tourbillons transversaux (70) créés par les éléments créant des tourbillons de chaque paroi latérale sont approximative- ment entre les tourbillons axiaux (74, 76) provoqués par les éléments créant des tourbillons de cette paroi latérale. 7. Cage pour chambre de post-combustion de moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'elle comprend: un élément annulaire en forme de V (40) ayant une paire de parois latérales (44, 46) définissant un axe donné généralement parallèle au sens des gaz d'écoulant sur l'élément dans la chambre de post-combustion, cet élément ayant des première et seconde lèvres annuailes qui s'étendent à partir d'une paroi latérale différente respective suivant ledit axe, et une multitude de pattes espacées (48, 50) s'étendant à partir des lèvres pour créer des tourbillons axiaux et transversaux alternants dans l'écoulement gazeux. - 14 - 8. Cage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pattes se trouvant dans un plan donné sont espacées les unes des autres de la même distance et ont les mêmes dimensions. 9. Cage selon la revendication 7, caractérisé en ce les pattes ont la même étendue que les parois latérales de l'élément et se trouvent dans le plan desdites parois à partir desquelles elles s'étendent. 10. Cage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre un moyen (80) pour la fixer à la chambre de post-combustion. 11. Cage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'elle comprend un moyen pour la fixer dans la zone de la chambre de post-combustion du moteur. 12. Cage selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'elle est dimensionnée de manière à agir sur environ 20-30% du gaz s'écoulant dans la zone de la chambre de post- combustion.