Brevet FR2653170A1 — publié le 19910419

La présente invention concerne les turbomachines et, plus particulièrement, un moteur à turbine à gaz comportant un canal intérieur dans la chambre de combustion, canal consti- tué d'un certain nombre d'ouvertures de soutirage anté- rieures, espacées circonférentiellement les unes des autres, qui réduisent les pertes de pression à l'intérieur du canal et fournissent un écoulement à une pression relativement élevée de l'air de refroissement vers les aubes du rotor de la turbine. Le courant d'air refoulé par l'étage à haute pression du compresseur d'une turbomachine telle qu'un moteur à turbine à gaz est dirigé par un pré-diffuseur vers l'ensemble de la chambre de combustion du moteur. Une partie de ce courant d'air à haute pression entre dans la chambre de combustion du moteur, et une autre partie est dirigée par le prédiffuseur pour entrer dans un canal intérieur annulaire de la chambre de combustion, défini par le carter intérieur de la chambre et sa garniture intérieure. La partie du courant d'air à haute pression qui circule dans le canal intérieur sert à refroidir la chambre de combustion, à fournir de l'air de dilution à la chambre de combustion située en aval de son injecteur de carburant et à fournir de l'air de refroidis- sement aux aubes du rotor de la turbine. Dans de nombreuses réalisations de moteurs à turbine à gaz, des ouvertures de soutirage sont ménagées dans la partie -2 arrière du canal intérieur de la chambre de combustion, c'est-à-dire sensiblement en aval de l'entrée de ce canal, et ces ouvertures de soutirage forment un trajet pour l'écoule- ment d'air à haute pression vers les aubes du rotor de la turbine de manière à les refroidir. On a observé que des pertes de pression sont créées à l'intérieur des canaux intérieurs de la chambre de combustion lorsqu'ils comportent des ouvertures arrière de soutirage à cause de la formation d'une turbulence importante à l'intérieur du canal à proxi- mité de son entrée. On pense que le courant d'air à haute pression provenant du compresseur pénètre dans l'entrée du canal intérieur et se sépare en un courant de vitesse relativement élevée le long de la garniture intérieure de la chambre de combustion qui constitue la paroi extérieure du canal intérieur, et en un courant d'air tournant, turbulent, s'écoulant le long du carter intérieur de la chambre de combustion, carter qui constitue la paroi intérieure du canal intérieur de la chambre. Cette division ou séparation du courant d'air, et la création d'une zone importante d'écoule- ment turbulent, empêchent que le courant d'air ne recouvre la totalité de la dimension transversale entre les parois intérieure et extérieure du passage intérieur de la chambre de combustion jusqu'à ce que le courant d'air se soit propagé à une distance relativement grande en aval de l'entrée du passage intérieur. Au moment o le courant d'air a "rempli" ou s'est étendu de lui-meme entre les parois intérieure et extérieure du canal intérieur de la chambre de combustion, des pertes de pression se sont créées dans le courant à haute pression. Il en résulte que l'air de diffusion provenant du canal intérieur de la chambre de combustion et circulant dans cette chambre, et l'air de refroidissement sortant des ouvertures arrière de soutirage du canal intérieur pour se diriger vers les aubes du rotor de la turbine, se trouvent tous deux à des valeurs de la pression qui sont inférieures aux valeurs désirables et peuvent avoir un effet néfaste sur -3- la consommation spécifique en carburant du moteur à turbine à gaz. Par conséquent, la présente invention a pour objets de proposer une turbomachine ayant un canal intérieur dans la chambre de combustion, dans laquelle les pertes de pression sont sensiblement réduites pour fournir de l'air de dilution à une pression relativement élevée à la chambre de combustion et de l'air de refroidissement à haute pression aux aubes du rotor de la turbine de la turbomachine. On atteint ces objets dans un canal intérieur de chambre de combustion défini par le carter intérieur de la chambre et sa garniture intérieure, o le carter intérieur, ou paroi intérieure du canal intérieur de la chambre de combustion comporte une multitude d'ouvertures de soutirage avant, espacées circonférentiellement les unes des autres, qui sont situées immédiatement en aval de l'entrée dans le canal. Ces ouvertures ont pour effet que l'écoulement d'air à haute pression refoulé par le compresseur et le pré-diffuseur pour entrer dans le canal intérieur de la chambre de combustion "s'attache de nouveau" à la paroi intérieure du canal, c'est- à-dire s'étend sensiblement sur toute la dimension transver- sale, ou hauteur, du canal intérieur, à un emplacement situé à l'avant. Cela réduit sensiblement les dimensions de la zone de turbulence dans le passage intérieur et par conséquent les pertes de pression dans ce passage sont plus faibles. Dans le mode de réalisation ayant actuellement la préférence, un gradin annulaire, dirigé vers l'arrière, ou section de paroi en forme de L, est formé dans la paroi- intérieure du canal intérieur de la chambre de combustion, qui constitue la partie antérieure de chacune des ouvertures de soutirage. Ce gradin en forme de L sert à égaliser l'écoulement de l'air à haute pression dans les zones de la paroi intérieure du canal intérieur de la chambre de combustion entre des ouvertures de soutirage adjacentes. De plus, la partie verticale du gradin en forme de L de chaque - 4 - ouverture de soutirage réduit la hauteur ou cote transversale du canal intérieur dans sa direction vers l'avant, c'est-à- dire que la partie du canal intérieur en amont des ouvertures de soutirage avant a une hauteur ou cote transversale plus petite que la partie du canal intérieur en aval des ouvertures de soutirage. Cette réduction de la hauteur ou cote transversale du canal intérieur en amont des ouvertures de soutirage avant a également tendance à faire en sorte que le courant d'air à haute pression s'attache ou s'étende sur la paroi intérieure du canal intérieur d'une façon plus rapide et donc réduise la turbulence et les pertes de pression dans le canal intérieur. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - figure 1, une vue schématique d'une turbomachine incorpo- rant des ouvertures de soutirage avant dans le canal intérieur de la chambre de combustion, et figure 2, une vue schématique d'une partie du canal intérieur de la chambre de combustion, représentant l'effet sur le courant d'air du placement des ouvertures de soutirage à son extrémité antérieure. La figure 1 est une vue schématique, simplifiée, d'une partie d'un moteur 10 à turbine à gaz ayant pour but d'illustrer l'environnement dans lequel on utilise la pré- sente invention. Les détails de la plus grande partie de la structure du moteur 10 ne font pas partie de la présente invention en soi et sont décrits dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique n 3 777 489, qu'on incorpore ici à titre de référence. Aux fins de la présente discussion, le moteur 10 à turbine à gaz comporte un compresseur 12, un système de combustion 14 et une turbine 16 qui entraîne le compresseur. De l'air extérieur entrant dans le moteur 10 est initialement comprimé par la rotation des ailettes d'une soufflante associée à son rotor (non représenté), formant un courant -5- d'air à basse pression qui est fractionné en deux courants comportant un courant de dilution et un courant pour le générateur de gaz. Le courant du générateur de gaz est pressurisé dans le compresseur 12 et ensuite allumé dans le système de combustion 14 en présence de carburant à haute énergie. Ce courant de gaz à haute énergie traverse alors la turbine 16 pour entraîner le compresseur 12. Le compresseur 12 comprend un rotor 18 ayant un certain nombre d'étages 20 qui supportent une multitude d'aubes individuelles 22. Le compresseur 12 comprend une structure de carter 24 qui définit les limites extérieures du trajet du courant d'air du compresseur et comporte une structure pour monter une multitude d'aubes de stator 26 disposées dans les étages individuels entre chaque étage des aubes 22 du rotor. La structure 24 du carter du compresseur fournit un orifice annulaire 28 immédiatement en amont de l'un des étages intermédiaires des aubes 22 du rotor pour soutirer de l'air inter-étages à partir de l'intérieur du compresseur 12. Cet air inter-étages est délivré à une chambre annulaire 30 qui entoure la structure 24 du carter du compresseur. On trouvera une description détaillée de la chambre 30 et de la structure 24 dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 597 106. Immédiatement en aval du dernier étage des aubes 22 du rotor du compresseur se trouve une pièce coulée 32 formant diffuseur-aubages directeurs de sortie, qui comprend une cascade d'aubages directeurs 34 du compresseur afin de diriger l'écoulement refoulé par le compresseur vers un pré- diffuseur 36 ayant des parois intérieure et extérieure 38, 40, respectivement. Les parois intérieure et extérieure 38, du diffuseur constituent la partie à écoulement en aval de la pièce coulée 32, laquelle comporte en outre des bras de forme généralement conique 42 et 44. Le bras 42 est connecté par des boulons 46 à l'extrémité aval de la structure 24 du carter du compresseur, et le bras 44 est connecté par des -6- boulons 48 au carter extérieur 50 de la chambre de combus- tion, lequel est espacé de la garniture extérieure 53 de la chambre pour définir un canal extérieur 52 pour cette chambre. Le carter 50 supporte une bride de montage 54 pour un allumeur 56 du système de combustion 14, ainsi qu'une bride 58 pour l'injecteur de carburant qui est connectée par un tube de carburant 60 à l'injecteur 62 de carburant du système de combustion 14. En liaison avec la partie inférieure de la figure 1, la pièce coulée 32 du diffuseur comprend aussi un bras 64 ayant la forme générale d'un cône qui est fixé par des boulons 66 à un anneau fixe de renforcement 68 d'un joint 70. Ce bras 64 constitue une partie d'un canal intérieur 72 de la chambre de combustion, qui est défini par un carter intérieur ou paroi intérieure 74 de la chambre, et une garniture intérieure ou paroi extérieure 76 de cette chambre. La paroi intérieure 74 est connectée par des boulons 66 à son extrémité antérieure à l'anneau fixe 68 et au bras 64. L'extrémité postérieure de la paroi intérieure 74 est supportée par un anneau fixe de renforcement 77 d'un joint 78 monté sur le carter intérieur du moteur. La paroi extérieure 76 du canal intérieur 72 est reliée à un capot 82 de la chambre de combustion à son extrémité antérieure, et est montée par des boulons 84 à son extrémité postérieure sur un bras de support 86 maintenu par la paroi intérieure 74 du canal 72. Un courant d'air à pression relativement élevée est refoulé par l'étage à haute pression du compresseur 12 par l'intermédiaire du pré-diffuseur 36 dans lequel il est fractionné en trois trajets séparés. Une partie du courant d'air entre dans la chambre de combustion 88, et le reste est divisé en deux courants. Un courant d'air 92 entre dans le canal intérieur 72 et l'autre traverse le canal extérieur 52 de la chambre de combustion. Comme représenté schématiquement en figure 2, le courant d'air à haute pression 92 qui est dirigé de manière à entrer - 7 - dans le canal intérieur 72 s'écoule à travers une embouchure ou entrée 94 définie par le capot 82 de la chambre de combustion et la paroi intérieure 38 du prédiffuseur 36. Le canal intérieur 72 de la présente invention est plus particulièrement conçu pour créer un trajet d'écoulement régulier et relativement exempt de turbulences pour le courant à haute pression 92 afin de réduire la séparation de ce courant d'air et donc minimiser les pertes de pression dans le canal intérieur 72. Cela est réalisé dans le présente invention en prévoyant une multitude d'ouvertures de souti- rage avant 96, espacées circonférentiellement les unes des autres, qui sont ménagées dans la paroi intérieure 74 du canal intérieur 72, dont l'une est représentée en figure 2. Un gradin annulaire 98 en L est formé dans la paroi intérieure 74 du canal 72, qui comporte une paroi 100 s'étendant verticalement et une paroi horizontale 102 d'in- tersection. Le gradin 98 forme le bord antérieur de chaque ouverture de soutirage 96 et est en regard de l'arrière. L'écoulement du courant d'air à haute pression 92 dans le canal intérieur 72 est représenté schématiquement en figure 2 sous forme d'une série de profils pression/vitesse 92a, 92b et 92c à des endroits successivement en aval dans le canal intérieur 72. L'écoulement d'air à haute pression provenant du compresseur 12 pénètre initialement dans le canal inté- rieur 72 en passant par son entrée 94 et forme un courant d'air 92a qui est concentré dans une zone située entre une ligne de division 104 du courant et la paroi extérieure 76 du canal 72. Cette ligne de division 104 s'étend entre l'entrée 94 du canal 72 et le bord postérieur 105 des ouvertures de soutirage 96. La ligne de division 104 est distante d'une ligne limite de mélange 106 qui s'étend entre l'entrée 94 du canal intérieur 72 et un point d'attachement 108 se trouvant sur la paroi intérieure 74 du canal entre les ouvertures de soutirage 96 et son entrée 94. La zone hachurée 110 entre la ligne de division 104 et la ligne limite de mélange 106 - 8 - représente la partie du courant d'air 92 qui est entraînée dans les ouvertures de soutirage 96 et est ensuite dirigée vers les aubes 112 du rotor de la turbine 16 à des fins de refroidissement. Se reporter aux flèches de la figure 1. Une autre partie du courant d'air 92 entrant dans le canal intérieur 72 forme une zone 114 d'écoulement d'air turbulent qui s'étend entre la ligne limite de mélange 106 et la paroi intérieure 74 du canal 72 à son extrémité antérieure. La présente invention a été réalisée sur le concept de la mise en place des ouvertures de soutirage 96 qui fournissent de l'air à haute pression aux aubes 112 du rotor de la turbine 16 à un endroit antérieur par rapport à l'entrée 94 du canal intérieur 72. L'effet de cette mise en place des ouvertures 96 est de limiter les dimensions de la zone de turbulence à basse pression 114, et donc de réduire les pertes de pression dans le canal intérieur 72, en amenant le courant d'air à haute pression 92 à se "fixer de nouveau" ou venir en contact avec la paroi intérieure 74 du canal 72 au point d'attachement 108 qui est aussi près que possible de l'entrée 94 du canal. Comme représenté en figure 2, le courant d'air à haute pression 92a se trouvant à l'emplace- ment le plus proche possible de l'entrée 94 du canal intérieur 72 a une vitesse relativement élevée, représentée par la longueur des flèches 122, et une pression réduite par suite du contact avec la zone de turbulence 114. De manière à réduire les pertes de pression, il est important que le courant d'air à haute pression 92 s'étende complètement entre les parois intérieure et extérieure 74, 76 du canal 72 sur une distance en aval de l'entrée 94 aussi courte que possible. La partie intérieure du courant à haute pression 92a est en contact avec la zone de turbulence 114 mais s'attache alors de nouveau à la paroi intérieure 74 au point d'attache- ment 108, formant un courant 92b ayant une vitesse plus petite et une pression plus grande. Ce réattachement du - 9 - courant 92b se produit au point 108 à cause de la présence des ouvertures de soutirage 96 à l'extrémité antérieure du canal 72. Si les ouvertures 96 étaient placées à l'extrémité postérieure du canal 72, comme dans d'autres réalisations de turbomachines, le point d'attachement 108 serait sensiblement en aval de l'emplacement représenté en figure 2, créant une zone de turbulence 114 beaucoup plus grande et par conséquent provoquant des pertes de pression sensiblement supérieures dans le courant à haute pression 92. L'écoulement d'air se poursuit en aval de manière à former un courant 92c ayant une pression plus grande et une vitesse plus faible que celles des courants 92a ou b. Comme représenté en figure 2, la vitesse du courant d'air diminue et la pression augmente alors que le courant est amené à s'attacher à la paroi intérieure 74 du canal 72 au point 108. Comme représenté en figure 1, le courant d'air à haute pression 92 traversant le canal intérieur 72 de la chambre de combustion sort en passant par les ouvertures de soutirage 96 et traverse une ouverture 124 ménagées dans le joint 78 pour se diriger vers les aubes 112 du rotor de la turbine 16. Une partie du courant 92 sort également du canal intérieur 72 en passant par des ouvertures de dilution (non représentées) qui sont ménagées dans la paroi extérieure 76 de manière à fournir de l'air de dilution à la chambre de combustion 88 pour combinaison avec le carburant fourni par l'injecteur 62. - 10 - REVENDICATIONS 1. Dispositif pour fournir un courant d'air à haute pression (92) aux aubes (112) du rotor d'une turbine (16) dans une turbomachine, cette turbomachine comportant un compresseur (12) avec une extrémité postérieure de refoule- ment et une chambre de combustion (88) située entre le compresseur et la turbine, caractérisé en ce qu'il comprend: une paroi intérieure annulaire (74) et une paroi exté- rieure annulaire (76) distante de la précédente, d'o la formation entre elles d'un canal intérieur (72) dans la chambre de combustion, ce canal intérieur ayant une extrémité antérieure présentant une entrée (94) qui communique avec l'extrémité postérieure de refoulement du compresseur afin de recevoir de celui-ci un courant d'air à haute pression, le courant d'air étant initialement en contact avec la paroi extérieure annulaire du canal intérieur mais séparé de celle- ci immédiatement en aval de l'entrée dans le canal inté- rieur; la paroi intérieure annulaire (74) du canal intérieur comportant un certain nombre d'ouvertures de soutirage avant (96), espacées circonférentiellement les unes des autres, à son extrémité antérieure en aval de l'entrée du canal intérieur, les ouvertures permettant d'extraire au moins une partie du courant d'air se trouvant dans le canal intérieur et d'amener ce courant d'air à s'étendre à partir de la paroi extérieure annulaire pour venir en contact avec la paroi intérieure du canal à un point d'attachement (108) de la paroi intérieure annulaire situé entre les ouvertures de soutirage et l'entrée du canal intérieur de façon que la turbulence et les pertes de pression dans le canal intérieur soient réduites; un moyen (124) communiquant avec les ouvertures de soutirage (96) ménagées dans la paroi intérieure annulaire (74) du canal intérieur pour diriger ladite partie du courant d'air le traversant vers les aubes du rotor de la turbine à - 11 - des fins de refroidissement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure annulaire (74) du canal intérieur de la chambre de combustion comporte un gradin annulaire (98) dirigé vers l'arrière qui forme la partie antérieure de chacune des ouvertures de soutirage avant (94), espacées circonférentiellement les unes des autres, la cote transver- sale du canal intérieur (72) étant plus petite en amont du gradin qu'à son aval. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gradin annulaire (98) dirigé vers l'arrière a la forme d'un L comportant une paroi (100) s'étendant sensiblement dans le sens vertical et une paroi (102) s'étendant sensible- ment dans le sens horizontal qui est reliée à la paroi verticale. 4. Procédé pour réduire les pertes de pression dans le canal intérieur (72) d'une chambre de combustion (88) d'une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: diriger un courant d'air à pression relativement élevée (92) provenant de l'extrémité de refoulement d'un compresseur (12) dans l'entrée (94) du canal intérieur défini par une paroi intérieure (74) et une paroi extérieure (76) espacée de la précédente; soutirer au moins une partie du courant d'air par des ouvertures de soutirage (96) ménagées dans la paroi inté- rieure du canal intérieur de la chambre de combustion à son extrémité antérieure pour amener le courant d'air à s'étendre à partir de la paroi extérieure pour venir en contact avec la paroi intérieure du canal intérieur de la chambre à un point d'attachement (108) de la paroi intérieure situé à la partie antérieure du canal intérieur entre des ouvertures de soutirage et son entrée de façon qu'il y ait réduction de la turbulence et des pertes de pression dans le canal intérieur.