Brevet FR2671856A1 — publié le 19920724

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz en général et, plus spécialement, un dôme de chambre de combustion se trouvant à l'extrémité, côté amont, d'une chambre de combustion annulaire. Une chambre de combustion classique de moteur à turbine à gaz comporte une multitude de carburateurs espacés circonférentiellement les uns des autres, disposés dans un dôme à l'extrémité, côté amont, de la chambre de combustion. Les carburateurs recoivent l'air comprimé provenant d'un compresseur monté en amont et le carburant pour former un mélange carburant/air qui est allumé afin de former des gaz de combustion dans la chambre, lesquels sont alors canalisés vers une turbine classique située en aval Le maintien d'une combustion stable et l'obtention de bonnes performances de la chambre de combustion nécessitent une introduction contrôlée de l'air comprimé et un bon mélange dans la chambre de combustion afin d'obtenir les profils de température préférés pour les gaz de combustion sortant de la chambre de combustion L'un des facteurs ayant l'influence la plus importante sur la distribution de la température des gaz de combustion en provenance de la chambre est l'uniformité et la stabilité du carburant et de l'air dans la zone du dôme de la chambre de combustion, qu'on appelle zone primaire dans la technique. -2- En outre, une partie de l'air comprimé doit être également utilisée de manière efficace pour refroidir les composants de la chambre de combustion, dont le dôme de cette chambre et les garnitures de combustion qui lui sont fixées. L'air comprimé utilisé pour le refroidissement est générale- ment canalisé par l'intermédiaire de cavités présentant des fentes circonférentielles pour répartir l'air de refroidis- sement sur les garnitures et obtenir leur refroidissement par film fluide Les cavités de refroidissement sont des struc- tures usinées qui assurent le maintien de faibles tolérances pour fournir un refroidissement efficace Des variations relativement petites des configurations des cavités de refroidissement peuvent avoir une effet important sur leur aptitude au refroidissement Cependant, les dômes des cham- bres de combustion comportant des cavités usinées de refroi- dissement sont relativement complexes et coûteux à fabriquer. En conséquence, un objet de la présente invention est de fournir un dôme perfectionné pour la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. La présente invention a pour autre objet un dôme de chambre de combustion comportant des ouvertures pour l'air de refroidissement, de fabrication simple et ne nécess tant pas un usinage complexe. Un dôme de chambre de combustion, selon la présente invention, comprend une plaque annulaire présentant une multitude d'ouvertures espacées circonférentiellement les unes des autres dans sa partie centrale pour recevoir une multitude de carburateurs La plaque du dôme comprend aussi des parties extérieure et intérieure de support pour la réunir aux garnitures de combustion Chacune des parties de support comporte une première branche s'étendant à partir de la partie centrale, une seconde branche, et un sommet en forme d'arc reliant les première et seconde branches Le sommet a une épaisseur uniforme et comporte une multitude d'ouvertures pour réfrigérant, espacées circonférentiellement les unes des autres, afin de canaliser l'air de refroidis- sement. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une coupe longitudinale d'une partie d'un ensemble annulaire de combustion comportant un dôme selon un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue dirigée vers l'amont d'une partie de la plaque annulaire du dôme de l'ensemble de combustion représenté en figure 1; figure 3, une coupe longitudinale à grande échelle d'une partie de support, radialement intérieure, du dôme de l'ensemble de combustion, représenté en figure 1; figure 4, une vue en perspective d'une partie du dôme de l'ensemble de combustion représenté en figure 1; figure 5, une coupe longitudinale de la partie intérieure de support du dôme de l'ensemble de combustion représenté en figure 1 selon une variante de réalisation de la présente invention. En figure 1, on a représenté une coupe longitudinale d'un ensemble de combustion annulaire 10, disposé co- axialement autour d'un axe 12 à l'intérieur du carter annulaire 14 d'un moteur à turbine à gaz L'ensemble de combustion 10 comprend une garniture annulaire de combustion 16, radialement extérieure, et une garniture annulaire de combustion 18, radialement intérieure, espacée de la première pour définir une chambre de combustion annulaire 20 L'en- semble de combustion 10 comprend aussi un dôme, représenté dans ses grandes lignes par la référence 22, selon un mode de réalisation de la présente invention Le dôme 22 comporte une plaque annulaire 24 disposée coaxialement autour de l'axe 12 et fixée aux extrémités amont 16 a, 18 a des garnitures extérieure et intérieure 16, 18, respectivement, par des multitudes de boulons 26 espacés circonférentiellement les uns des autres. -4 - Une multitude de carburateurs classiques 28 espacées circonférentiellement les uns des autres sont réunis de la manière classique à la plaque 24 du dôme, chaque carburateur comportant un injecteur classique de carburant 30 et un dispositif 32 de tourbillonnement de l'air Les boulons 26 relient également les extrémités amont 16 a, 18 a des garni- tures de combustion à des capots extérieur et intérieur classiques en tôle 34 et 36 qui canalisent l'air comprimé 38 provenant d'un compresseur (non représenté) monté en amont de l'ensemble de combustion 10 Une partie de l'air comprimé 38 est mélangée au carburant provenant de l'injecteur 30 et est allumée pour former des gaz de combustion 40 dans la chambre Les gaz de combustion 40 sont déchargés par un orifice de sortie 42 se trouvant à l'extrémité aval de l'ensemble de combustion 10 et sont canalisés de manière appropriée jusqu'à une turbine (non représentée) montée en aval de l'ensemble de combustion 10. Dans le but de les refroidir, chacune des garnitures 16 et 18 comporte une multitude de rangées de trous inclinés 44 de refroidissement, espacés circonférentiellement les uns des autres, qu'on appelle également multitrous 44, lesquels reçoivent une partie de l'air comprimé 38 canalisé sur elles, l'air 38 traversant les multitrous 44 pour entrer dans la chambre 20 afin de former une couche limite 46 de refroidis- sement à film fluide le long des surfaces intérieures des garnitures 16, 18 et les protéger contre les gaz de combustion 40 Une première rangée 44 a des trous de refroi- dissement 44 est de préférence placée à un endroit relative- ment proche de la plaque 24 du dôme de manière à commencer la formation de la couche limite 46 le plus tôt possible dans la chambre de combustion 20 Des parties 40 a des gaz de combustion 40 circulent immédiatement vers l'amont des carburateurs 28 contigus à la plaque 24 et aux extrémités amont 16 a, 18 a des garnitures Par conséquent, un déflecteur annulaire classique 48, ou plaque de dispersion, supporte de - la manière classique les carburateurs 28 sur la plaque 24 du dôme de manière à la protéger en partie contre les gaz de combustion chauds 40 a. En figures 2-4, on a représenté plus en détail le dôme 22 de l'ensemble de combustion selon un mode de réalisation préféré de la présente invention La plaque 24 est de préférence un élément monobloc présentant une épaisseur E sensiblement constante, qu'on obtient de préférence en la réalisant sous forme d'un élément en tôle De cette façon, on peut fabriquer la plaque 24 en utilisant les procédés classiques d'estampage et de poinçonnage pour réaliser un seul élément sans qu'il soit nécessaire de joindre, par exemple par soudage, plusieurs composants pour la constituer comme cela est le cas de la technique antérieure En outre, l'utilisation d'une plaque 24 en tôle élimine aussi les opérations d'usinage relativement chères, par exemple les opérations de tournage, qu'on doit effectuer sur des éléments ne présentant pas une épaisseur uniforme Comme on le décrit ci- dessous, on peut former les diverses ouvertures ménagées dans la plaque 24 du dôme en faisant appel à un usinage classique par poinçonnage et étincelage. Comme cela est représenté en figure 2, la plaque 24 comprend une partie centrale annulaire 50 disposée coaxiale- ment autour de l'axe 12 qui comporte une multitude d'ouver- tures 52 espacées circonférentiellement les unes des autres pour recevoir des carburateurs respectifs 28 Les ouvertures 52 de la partie centrale peuvent être formées en poinçonnant simplement des trous dans cette partie par des procédés classiques La plaque 24 comprend en outre des parties annulaires de support, radialement extérieure et intérieure 54 et 56, respectivement, qui s'étendent en une pièce à partir de la partie centrale 50 pour réunir la plaque 24 aux garnitures 16, 18 La configuration préférée pour les parties de support 54, 56, comme on le décrit ci-dessous, peut être aussi obtenue en faisant appel à un estampage ou à un cambrage classiques de la plaque 24. Chacune des parties de support 54, 56 comprend une première branche 58 s'étendant à partir de la partie centrale , une seconde branche 60, et un sommet 62 en forme d'arc reliant la première branche 58 à la seconde branche 60 Le sommet 60 a la même épaisseur uniforme E que le reste de la plaque 24 et présente une multitude d'ouvertures de refroi- dissement 64 qui sont espacées circonférentiellement les unes des autres et en alignement sur un rayon commun par rapport à l'axe 12 afin de canaliser l'air de refroidissement Les secondes branches 60 comprennent chacune une multitude de trous 66 espacés circonférentiellement les uns des autres qui permetent le passage des boulons 26 pour monter la plaque 24 sur les garnitures 16, 18. Comme les parties extérieure et intérieure de support 54 et 56 sont sensiblement identiques, on décrira en détail la partie 56, étant entendu que cette description s'applique aussi à la partie 54 La figure 3 représente plus particu- lièrement la partie intérieure de support 56 réunie de la manière classique au déflecteur 48, au dispositif 32 de formation de tourbillons, au capot intérieur 36, et à la garniture intérieure 18 Dans le mode de réalisation préféré, les première et seconde branches 58, 60 sont rectilignes, la seconde branche 60 est espacée de la première branche 58 pour réunir la plaque 24 à la garniture intérieure 18 Chacune des ouvertures de refroidissement 64 présente un axe 68 qui forme un angle aigu A avec la seconde branche 60 afin de canaliser une partie de l'air comprimé 38 comme réfrigérant traversant l'ouverture 64 vers l'extérieur par rapport aux ouvertures 52 de la partie centrale afin que le réfrigérant 38 frappe la surface inférieure de la garniture 18 suivant un angle approximativement égal à l'angle aigu A L'axe 68 de l'ouverture 64 est également généralement parallèle à la première branche 58, de sorte que le réfrigérant 38 est canalisé par l'intermédiaire de l'ouverture 64 pour être -7- généralement parallèle à la première branche 58. Le sommet 62 peut être obtenu de la manière classique par une opération d'estampage ou de cambrage de la plaque 24 afin de créer une surface intérieure concave de rayon R et une surface extérieure convexe, complémentaire, ayant un rayon R plus l'épaisseur E Les ouvertures 64 destinées au réfrigérant peuvent être ménagées dans le sommet 62 par usinage classique par étincellage, et, d'une façon similaire, les trous 66 peuvent être pratiqués par usinage par étince- lage. La configuration de l'ouverture 64 ménagée dans le sommet 64 ainsi obtenue a pour effet que le réfrigérant 38 frappe l'extrémité amont ( 16 a, 18 a) des garnitures de combustion pour refroidir cette partie de la garniture ainsi que pour amorcer la couche limite 46 à partir des trous inclinés de refroidissement, c'est-à-dire au droit de la première rangée des trous 44 a Dans un mode de réalisation de la présente invention ayant la préférence, la première rangée 44 a des trous 44 est placée de façon prédéterminée en aval des ouvertures 64 à une distance L, de sorte que les ouvertures 64 forment une couche limite de réfrigérant pour amorcer le refroidissement par film fluide à partir de la première rangée 44 a des trous inclinés. Comme représenté plus particulièrement en figure 4, les ouvertures 64 sont espacées les unes des autres d'une distance prédéterminée S afin de fournir une couche limite sensiblement uniforme du réfrigérant 38 entre les ouvertures 64 et la première rangée 44 a des trous de refroidissement 44 pour procéder au refroidissement par film fluide des garni- tures 16, 18 Chacune des ouvertures 64 a un diamètre D, et dans un mode de réalisation de la présente invention donné à titre d'exemple, les ouvertures 64 sont espacées circonféren- tiellement les unes des autres d'une distance S qui est environ le double du diamètre D De cette façon, les ouvertures 64 coopèrent les unes avec les autres dans le -8 - sommet 62 en forme d'arc et avec les extrémités 16 a, 18 a en amont des garnitures entre les ouvertures 64 et la première rangée 44 a des trous 44 pour fournir une couche limite sensiblement uniforme, efficace, du réfrigérant 38. Des essais effectués sur les composants de ce mode de réalisation préféré de l'invention indiquent la formation d'un refroidissement efficace par film fuide sans qu'il soit nécessaire d'avoir la structure classique à cavités de refroidissement comportant des fentes de refroidissement par film fluide Plus spécialement, les deux parties de support extérieur et intérieur 54 et 56 sont caractérisées par l'absence d'une structure telle qu'une lèvre de cavité de refroidissement pour former une chambre annulaire afin de recevoir le réfrigérant 34 provenant des ouvertures 64 pour constituer une couche limite Dans la technique antérieure, une couche limite de refroidissement par film fluide est généralement formée par des trous de refroidissement qui alimentent une chambre annulaire en forme de U présentant une fente annulaire de sortie afin de constituer une couche limite uniforme de refroidissement par film fluide à partir de cette fente Cependant, selon le mode de réalisation préféré de la présente invention, les ouvertures 64 disposées simplement dans le sommet 62 en forme d'arc sont efficaces pour refroidir les extrémités en amont 16 a, 18 a des garni- tures de la chambre de combustion sans que la structure classique à cavités de refroidissement soit nécessaire. Comme représenté en figure 3, les déflecteurs 48 sont classiques et sont réunis de la manière classique aux ouvertures 52 de la partie centrale et sont distants, au moins en partie, des premières branches 58 pour former un canal 70 entre eux Les trous de refroidissement classiques 72 du type à impact sont formés de la façon classique dans la première branche 58 pour que le réfrigérant 38 frappe le côté arrière du déflecteur 48 et s'écoule alors généralement parallèlement à la surface de la première branche 58 dans le 9 - canal 70, le long de cette branche Le réfrigérant provenant du canal 70 s'écoule alors sur le sommet 62 et est disposé entre le réfrigérant 38 provenant des ouvertures 64 et les gaz de combustion 40 On pense que cette coopération du réfrigérant 38 provenant du canal 70 aide à fournir un refroidissement par film fluide par le réfrigérant 38 provenant des ouvertures 64 et s'écoulant contre les extré- mités amont 16 a, 18 a des garnitures. Comme la plaque 24 du dôme peut être constituée d'un seul élément en tôle et être fabriquée par des opérations classiques d'estampage, de cambrage, de poinçonnage et d'usinage par étincelage, on peut la construire plus facile- ment, à des coûts réduits par rapport aux plaques à pièces multiples d'épaisseurs variables qui nécessitent des opéra- tions d'usinage plus chères, dont l'utilisation de tours par exemple En outre, comme la plaque 24 peut être boulonnée simplement aux garnitures extérieure et intérieure 16 et 18, le procédé de fabrication du dôme 22 de l'ensemble de combustion est simplifié, ce qui réduit aussi les coûts, et permet un démontage, une réparation et un remplacement relativement faciles des composants. En figure 5, on a représenté une variante de réalisa- tion de la présente invention dans laquelle chacune des parties extérieure et intérieure de support 54, 56 (la partie intérieure 56 étant représentée) peut comporter en outre un anneau 74 fixé de la manière classique au côté concave du sommet 62, par exemple par brasage L'ouverture 64 pour le réfrigérant peut alors être formée tant dans le sommet 62 que dans l'anneau 74 de manière coaxiale autour de l'axe longitudinal 68 De cette façon, une ouverture relativement longue 64 pour le réfrigérant, c'est-à-dire plus longue que l'épaisseur E de la plaque 24, peut être ménagée de manière à diriger de façon beaucoup plus précise le réfrigérant 38 afin qu'il frappe les garnitures 16, 18 Les ouvertures 64 peuvent, par conséquent, avoir un rapport relativement élevé - entre longueur et diamètre comme on le rencontre généralement dans une cavité de refroidissement usinée, classique, de façon à diriger d'une manière plus précise le réfrigérant 38 et assurer la formation d'une couche limite sensiblement uniforme pour le refroidissement par film fluide. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention qu'on décrit ci-dessus, les parties extérieure et intérieure de support 54 et 56 comprenant les ouvertures 64 pour réfrigérant se sont avérées, dans des tests, efficaces pour effectuer un refroidissement convenable des garnitures 16, 18 disposées dans le voisinage des ouvertures 64, et pour amorcer la couche limite de refroidissement par film fluide à partir de la première rangée 44 a des trous inclinés 44 Dans un mode de réalisation de l'invention, l'espacement L entre les ouvertures de réfrigérant 64 et la première rangée 44 a de trous inclinés est d'environ 12,7 mm Les angles aigus A pour les parties extérieure et intérieure de support 54, 56 sont de 540 et 44 , respectivement Les trous 44 sont inclinés à un angle d'environ 200 par rapport aux garnitures 16, 18 et ont un rapport entre pas et diamètre d'environ 6. Dans des variantes de réalisation de la présente invention, les parties extérieure et intérieure de support 54 et 56 peuvent être utilisées avec des cavités classiques de refroidissement par film fluide formées dans les garnitures 16, 18 au lieu d'utiliser les ouvertures inclinées, ou multitrous 44 Cependant, on préfère que la première rangée de cavités de refroidissement soit aussi proche que possible des ouvertures de réfrigérant 64 pour assurer un refroidis- sement efficace des garnitures à cet endroit. il - REVENDICATIONS 1 Dôme ( 22) d'ensemble de combustion ( 10) comprenant une plaque annulaire ( 24) disposée coaxialement autour d'un axe ( 12), caractérisé en ce que la plaque comprend: une partie centrale annulaire ( 50) présentant une multitude d'ouvertures espacées circonférentiellement les unes des autres ( 52) afin de recevoir une multitude respec- tive de carburateurs ( 28); des parties radialement extérieure et radialement intérieure de support ( 54, 56) s'étendant à partir de la partie centrale pour réunir la plaque à des garnitures de combustion ( 16, 18); chacune des parties extérieure et intérieure de support comportant une première branche ( 58) s'étendant à partir de la partie centrale, une seconde branche ( 60), et un sommet en forme d'arc ( 62) réunissant la première branche à la seconde, le sommet ayant une épaisseur uniforme (E) et comportant une multitude d'ouvertures ( 64) espacées circonfé- rentiellement les unes des autres pour canaliser l'air de refroidissement ( 38) par leur intermédiaire. 2 Dôme selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde branche ( 60) est rectiligne et distante de la première branche afin de réunir la plaque à l'une des garnitures, et chacune des ouvertures de réfrigérant a un axe longitudinal ( 68) formant un angle aigu (A) avec la seconde branche pour canaliser le réfrigérant dans la direction de l'extérieur afin que ce réfrigérant frappe une garniture suivant ledit angle aigu. 3 Dôme selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ouvertures de réfrigérant ( 64) sont espacées circon- férentiellement les unes des autres d'une distance prédéter- minée (S) de manière à fournir une couche limite sensiblement uniforme ( 46) du réfrigérant pour procéder au refroidissement par film fluide des garnitures de combustion. 4 Dôme selon la revendication 3, caractérisé en ce 12 - que chacune des ouvertures de réfrigérant présente un certain diamètre (D), et ces ouvertures sont espacées circonféren- tiellement les unes des autres d'une distance (S) égale à environ le double du diamètre. 5 Dôme selon la revendication 3, dans lequel les parties extérieure et intérieure de support ( 54, 56) sont caractérisées par l'absence de structure pour former une chambre annulaire afin de recevoir le réfrigérant ( 38) provenant des ouvertures de réfrigérant ( 64) et constituer la couche limite ( 46). 6 Dôme selon la revendication 3, caractérisé en ce que sa plaque ( 24) est un élément en une pièce ayant une épaisseur (E) sensiblement constante. 7 Dôme selon la revendication 6, caractérisé en ce que sa plaque est un élément en tôle. 8 Dôme selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une multitude de déflecteurs ( 48) réunis aux ouvertures ( 52) de la partie centrale et distants, au moins en partie, des premières branches ( 58) des supports extérieur et intérieur ( 54, 56). 9 Dôme selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un anneau ( 74) fixé à un côté concave du sommet ( 62), et l'ouverture ( 64) pour réfrigérant s'étend à travers tant l'anneau que le sommet. 10 Dôme selon la revendication 3, caractérisé en outre en ce que: l'extrémité amont ( 16 a) de la garniture de combustion radialement extérieure ( 16) est réunie à la seconde branche du support extérieur ( 54); l'extrémité amont ( 18 a) de la garniture de combustion radialement intérieure ( 18) est réunie à la seconde branche du support intérieur ( 56); chacune des extrémités en amont des garnitures compre- nant une multitude de rangées de trous inclinés de refroidis- sement ( 44) espacés circonférentiellement les uns des autres 13 - et une première rangée desdits trous inclinés de refroidis- sement ( 44 a) est espacée d'une distance prédéterminée (L) en aval des ouvertures de réfrigérant ( 64) de sorte que la couche limite de réfrigérant ( 46) provenant des ouvertures de réfrigérant amorce le refroidissement par film fluide à partir des trous inclinés de refroidissement. 11 DÈme selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une multitude de boulons ( 26) fixant la plaque ( 24) du dôme aux extrémités en amont ( 16 a, 18 a) des garnitures extérieure et intérieure.