Brevet FR2709342A1 — publié le 19950303

On connaît déjà, par exemple par la demande de brevet français N0 92 il 859, un dispositif de post-combustion pour turboréacteur à double flux comprenant une turbine à gaz à aubages et au moins deux parois annulaires ayant un axe de sensible révolution commun, la deuxième de ces parois étant radialement écartée de la première desdites parois et étant située entre la première paroi et ledit axe, les deux parois étant en outre disposées en aval des aubages de turbine à gaz par rapport au sens axial d'écoulement des gaz à travers lesdits aubages et délimitant entre elles un premier passage d'écoulement d'un comburant possédant une première température, cependant que, d'une part, la deuxième paroi coopère à délimiter un deuxième passage pour l'écoulement des gaz de combustion s 'échappant desdits aubages et possédant une deuxième température supérieure à ladite première température, ce deuxième passage étant séparé du premier passage par la deuxième paroi, d'autre part, la zone de post-combustion étant délimitée par un prolongement de la première paroi situé en aval des deuxdits passages, des bras accroche-flammes 5 'étendent dans des plans radiaux par rapport audit axe, au moins à l'intérieur du deuxième passage, et sont conformés chacun en un dièdre, délimité par deux plaques externes ayant une arête commune, et, ayant une section externe en V dont la pointe est orientée vers l'amont par rapport au sens axial général d'écoulement desdits gaz de combustion. Dans un tel dispositif de post-combustion, les bras accroche-flammes, radiaux, sont soumis à des gradients de températures importants, ce qui est défavorable à la longévité desdits bras. Il a également été constaté que, sans précaution particulière, la combustion restait encore instable, et qu'en outre le rendement de cette combustion restait imparfait. L'invention entend remédier à ces divers inconvénients en définissant de nouvelles caractéristiques desdits bras accroche-flammes, destinées à réduire l'instabilité de la combustion, à améliorer le rendement de cette combustion et, en réduisant les gradients de températures auxquelles sont exposés les bras, à accroître leur longévité. A cet effet, selon l'invention, chacune des deux plaques externes comporte une lisière aval, qui présente une dentelure s'étendant au moins sur une partie de sa longueur. Cette dentelure s'étend donc, soit sensiblement sur la moitié de la longueur de la partie de la lisière contenue dans le deuxième passage, à partir de la deuxième paroi, soit sur la totalité de la longueur de Ia partie de la lisière contenue dans le deuxième passage. Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées: - la dentelure comprend une succession de découpes de la plaque externe, qui débouchent dans la lisière et qui sont séparées l'une de la suivante par une partie pleine de la lisière; - la largeur d'une partie pleine, séparant deux découpes qui lui sont adjacentes, est sensiblement égale à la largeur de la partie découpée de la lisière correspondant à chaque découpe; - ladite largeur est comprise entre 1/30 et 1/50 de la longueur de la partie de la lisière contenue dans le deuxième passage; - chaque découpe est conformée en un demi-disque creux, circulaire; - une partie de chaque bras accroche-flammes s'étend entre les première et deuxième parois, à l'intérieur du premier passage, et comporte un évidement de réception et de fixation d'un anneau d'injection de carburant coaxial audit axe; - chaque bras accroche-flammes est fixé sur la première paroi; - ce dispositif comporte une troisième paroi annulaire ayant un axe de révolution constitué par ledit axe, et, disposée entre cet axe et la deuxième paroi, le deuxième passage étant délimité entre lesdites deuxième et troisième parois. Les avantages principaux d'un dispositif de post-combustion conforme à l'invention réside effectivement dans une amélioration de la stabilité de la postcombustion et/ou du rendement de cette post-combustion, ainsi que de la longévité des bras accroche-flammes. L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description de réalisation donnée cidessous à titre d'exemple. il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. n sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale partielle d'un turboréacteur à double flux comportant un dispositif de post-combustion conforme à l'invention. - la figure 2 est une vue d'un bras conforme à une première variante de réalisation de l'invention, vu d'aval vers l'amont, suivant la flèche F de la figure 3; - la figure 3 est une coupe suivant III-E de la figure 2; - les figures 4 et 5 sont des coupes suivant IV-1V et V-V, respectivement, de la figure 3; et, - la figure 6 est une coupe analogue à celle de la figure 3, d'un bras conforme à une deuxième variante de réalisation de l'invention. Le turboréacteur à double flux et post-combustion, représenté partiellement sur la figure 1, comprend: - une chambre de combustion 1, annulaire, de révolution d'axe 2; - deux aubages 3, 4 de rotors 53, 54 de turbine à gaz montés rotatifs autour de l'axe 2, traversés, suivant un sens général d'écoulement D, parallèle à l'axe 2, par les gaz de combustion s'échappant de la chambre de combustion 1, - des première 6, deuxième 7 et troisième 8 parois annulaires, de révolution d'axe 2, qui sont écartées radialement de l'axe 2 et se succèdent radialement à partir de l'axe 2 dans l'ordre suivant de la troisième 8, puis de la deuxième 7, et enfin de la première paroi 6; - un premier passage 9, compris entre les première 6 et deuxième parois 7, dans lequel circule, parallèlement au sens d'écoulement D, du comburant préalablement comprimé, provenant d'une turbosoufflante située en amont; et, - un deuxième passage 10, compris entre les deuxième 7 et troisième parois 8, recevant la totalité des gaz de combustion traversant les aubages 3, 4; - des bras 11, qui s'étendent à l'intérieur des premier 9 et deuxième passages 10, en étant fixés, par des vis 12 sur la première paroi 6, étant en outre orientés légèrement en oblique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe 2, de leurs extrémités 13 fixés sur la première paroi 6 et située en amont, vers les autres extrémités 14, située en aval et adjacente à la troisième paroi 8; ces bras 11 sont en outre angulairement régulièrement espacés les uns des autres, et s'étendent sensiblement chacun dans un plan radial contenant l'axe 2; - des conduits de carburant 31, qui sont fixés sur la première paroi 6, et s'étendent radialement, à partir de cette paroi, à l'intérieur des premier (9) et deuxième (10) passages, en étant reliés à des rampes 51 d'alimentation en carburant, et comprenant plusieurs trous traversant 52, qui débouchent, dans le deuxième passage 10, parallèlement à l'axe 2, vers l'aval, et constituent autant d'orifices d'injection du carburant, les axes desdits conduits 31 étant contenus dans un même plan transversal P31 perpendiculaire à l'axe 2, disposé entre les aubages 4 les plus proches des bras Il et lesdits bras 11. 1l est nécessaire, pour que les bras 11 remplissent correctement la fonction principale qui sera exposée ci-après, qu'ils s'étendent au moins à l'intérieur du deuxième passage 10. Dans le cas présent, une partie 11A s'étend effectivement à l'intérieur du deuxième passage 10, et, une partie 11B s'étend à l'intérieur du premier passage 9. Dans cette partie 11B, un évidement 15 du bras est ménagé pour recevoir et fixer un anneau 16 contenant une rampe 17 d'injection de carburant, reliée par un conduit 18 à une alimentation en carburant 19. il convient d'observer que si les deuxième 7 et troisième parois 8 sont limitées axialement par les bras 11, la première paroi externe 6, s'étend au-delà des bras 11 et définit une enceinte de post-combustion 20. Par ailleurs, les températures des fluides circulant dans les premier et deuxième passages sont très différentes: celle, T1, du comburant comprimé, généralement de l'air, contenu dans le premier passage 9 est de l'ordre de la centaine de degrés C., alors que celle T2 des gaz de combustion contenus dans le deuxième passage 10 est de l'ordre du millier de degrés C.. Par ailleurs, le deuxième passage 10 pourrait, en variante, s 'étendre jusqu'à l'axe 2; dans ce cas où il n'y aurait pas de troisième paroi 8. Selon la réalisation représentée en regard des figures 2, 3, 4 et 5, chaque bras 11 comprend: - une tôle pliée en un dièdre ayant deux ailes 21-22, qui définit le contour externe du bras, la section droite du dièdre étant conformée en un V, dont la bissectrice 23 est sensiblement parallèle à la direction de l'axe 2, et dont le sommet 24 de l'angle est orienté vers l'amont, les branches du V étant elles-mêmes orientées vers l'aval par rapport au sens général D d'écoulement du flux gazeux; - à l'intérieur du dièdre 21-22, une tôle 25 cintrée suivant une section droite semi-circulaire, dont les deux lisières 26, 27 sont fixées par des ergots de fixation 28, soudés 29, respectivement auxdites ailes 21-22; - une enceinte intérieure 30, délimitée entre les ailes 21-22 et la tôle 25, communicant avec la partie 11B du bras par deux orifices 34, 35; - un conduit 32, qui s'étend sur la hauteur de la partie 11A du bras 11, en étant contenu à l'intérieur de l'enceinte 30, en étant situé à proximité de l'angle rentrant du dièdre 21, 22, en ayant son extrémité 32A la plus proche de ltaxe 2 obturée et fixée dans une plaque 33 de fermeture de l'enceinte intérieure 30, et, en débouchant, à son autre extrémité 32B, la plus éloignée de l'axe 2, dans la partie 11B du bras à travers l'orifice 34, une pluralité de trous traversant 38 faisant communiquer le conduit 32 avec l'enceinte intérieure 30 et débouchant en regard des parties les plus chaudes des ailes 21-22, à proximité du sommet 24; et, - à la partie du bras 11 la plus éloignée de l'axe 2, est prévue une plaque 13 de fixation, par exemple par des vis 37, du bras 11 sur la première paroi 6. A noter que, dans la réalisation des figures 2 à 5, les lisières d'extrémités des ailes 21-22 sont dentelées sur la totalité de la partie de ces lisières appartenant à la partie 11A du bras 11. Les dentelures sont elles-mêmes constituées par les parties pleines 39 de la lisière, séparées par de petites échancrures semi-circulaires 40. La largeur L39 d'une "dent" est sensiblement égale au diamètre D40 d'une échancrure, et est généralement comprise entre 1/30 et 1/50 de la longueur LîlA de la partie des lisières appartenant à la partie 11A du bras 11. La seule différence entre la réalisation des figures 2 à 5 et celle de la figure 6 réside dans l'étendue de la dentelure des lisières des ailes 21-22: dans la réalisation de la figure 6, Ia dentelure (succession des parties pleines 39 des lisières des ailes 21-22 et des échancrures 40) s'étend à partir de l'évidement 15 le long d'approximativement la moitié de la longueur LîlA de la partie 11A des lisières. Les dispositions suivantes ont en outre été adoptées: - la tôle cintrée 25, délimitée à ses extrémités radiales par deux tôles transversales 41, 42 n'est pas jointive avec Ia plaque 33 fermant l'enceinte intérieure 30 à l'une des extrémités radiales de la partie des ailes 21-22, située dans la partie 11A du bras 11, ni avec la plaque 43 délimitant l'enceinte intérieure 30 à l'autre extrémité radiale de la partie des ailes 21-22 située dans la partie 11A du bras 11, ni avec les lisières (39-40) des ailes 21-22 (sauf dans les zones des ergots de fixation 28); des passages 44, 45 sont ménagés entre les tôles 41, 42 et les plaques 33, 43 respectivement, permettant un écoulement gazeux à l'intérieur de l'enceinte intérieure 30 le long desdites plaques et tôles; de même des passages radiaux 55, 56 sont ménagés entre les lisières des ailes 21-22 de la tôle externe et les lisières 26, 27 de la tôle 25; - à proximité de la plaque 33, l'extrémité 32A du conduit 32 est munie d'un ergot 46 de centrage de la tôle 25, qui est introduit pour ce faire dans un trou 47 que comporte ladite tôle 25, ledit ergot étant solidaire d'un support 49 muni d'un trou le passage 50; - la partie 11B du bras 11 comporte, d'une part deux supports parallèles 48, sensiblement radiaux et parallèles à la direction D, reliant la plaque de fixation 13 à la plaque 43, d'autre part l'évidement 15 de réception de l'anneau 16 et de la rampe 17 d'injection de carburant. Un conduit de carburant 57 est introduit à l'intérieur de l'enceinte 30 de chaque bras 11, en traversant un orifice de passage 58 ménagé dans la première paroi 6, puis en traversant le premier passage 9 et l'orifice 35, et est ainsi placé entre le conduit de comburant 32 et la face interne de la tôle cintrée 25. Ce conduit 57 a son extrémité 59 la plus proche de l'axe 2 obturée et constituant un ergot de centrage du conduit 57 dans le trou de passage 50. A proximité de son autre extrémité 60, le conduit 57 est fixé, par exemple au moyen d'une plaque de fixation 61, dont il est solidaire, et de vis 62, sur la première paroi 6. Cette autre extrémité 60 du conduit 57 est par ailleurs raccordée (63) à un conduit 64 d'alimentation en carburant. Enfin, la partie du conduit de carburant 57 contenue dans l'enceinte 30 est munie de trous traversant 65, qui constituent autant d'orifices d'injection de carburant. Au cours du fonctionnement de la turbomachine, les gaz d'échappement chauds s'écoulent dans le passage annulaire 10 et pénètrent dans l'enceinte 20 de post-combustion en léchant les faces externes des ailes 21-22, des bras 11. Le carburant injecté au moyen de la rampe annulaire d'injection 17 et le comburant, qui s'écoule dans le passage annulaire 9, forment un nouveau mélange, qui, en pénétrant dans l'enceinte de post-combustion 20, s'enflamme. Le carburant injecté à travers les trous 52 des conduits radiaux de carburant 31, entraîné par le flux de gaz s'échappant des aubages 4, pénètre également dans la chambre de postcombustion 20, où il s'enflamme. Enfin, le carburant injecté dans les enceintes 30 des divers bras 11, à travers les trous d'injection 65 des conduits 57, se mélange au comburant traversant les trous 38 des conduits 32, et est ainsi entraîné vers la chambre de post-combustion 20 où il s'enflamme, après avoir traversé les passages 44, 45, 55 et 56 ménagés entre des tôles 25 et (21-22). Les bras Il ont pour but de rendre stable cette combustion, qui se produit dans l'enceinte de post-combustion 20. Pour ce faire, les lisières des ailes 21-22 desdits bras ont été munies des "dents" 39, qui, en accrochant la flamme, stabilise la combustion. Lorsque la dentelure s'étend sur la totalité des lisières des ailes 21-22 (figures I à 5), la combustion est stabilisée au maximum: le rendement de cette combustion est maximal et les performances de la turbomachine sont elles aussi maximales. Lorsque la dentelure ne s'étend que sur une partie des lisières, tel que par exemple sur la moitié de ces lisières (figure 6), les "dents" 39 accrochent la flamme dans la zone la plus proche de la rampe 17 d'injection de carburant, ce qui provoque un étagement plus grand des fronts de flamme radialement, entre les extrémités des bras 11. L'instabilité de la combustion est réduite, pour chaque inclinaison déterminée des bras 11. De façon générale, l'alternance des échancrures 40 et des "dents" 39 modifie l'écoulement tourbillonnaire en aval des bras 11, en favorisant un brassage plus important du mélange comburant-carburant. Ce brassage a pour résultat la réduction en aval des bras 11, des poches de carburant, qui en partie provoquent l'instabilité de la combustion. En outre, ce brassage crée une recircuIation amplifiée des gaz qui, en augmentant le temps de séjour des gaz, augmente également le rendement de la combustion. Par ailleurs, le fait de pouvoir accrocher les flammes le long des lisières des ailes 21-22 des bras 11 permet de réduire les gradients de températures auxquelles sont soumis les bras, et, ainsi, d'améliorer la longévité des bras 11. L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites, mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient leur être apportées sans sortir de leur cadre ni de leur esprit. REVENDICATIONS 1. Dispositif de post-combustion pour turboréacteur à double flux comprenant une turbine à gaz à aubages (3, 4) et au moins deux parois annulaires (6, 7, 8) ayant un axe (2) de sensible révolution commun, la deuxième (7) de ces parois étant radialement écartée de la première (6) desdites parois et étant située entre la première paroi (6) et ledit axe (2), les deux parois étant en outre disposées en aval des aubages (3, 4) de turbine à gaz par rapport au sens axial (D) d'écoulement des gaz à travers lesdits aubages et délimitant entre elles un premier passage (9) d'écoulement d'un comburant possédant une première température I1), cependant que, d'une part, la deuxième paroi (7) coopère à délimiter un deuxième passage (10) pour l'écoulement des gaz de combustion s'échappant desdits aubages et possédant une deuxième température (T2) supérieure à ladite première température cl1), ce deuxième passage étant séparé du premier passage par la deuxième paroi (7), d'autre part, la zone de post-combustion (20) étant délimitée par un prolongement de la première paroi (6) situé en aval des deuxdits passages (9, 10), des bras accroche-flammes (11) s'étendent dans des plans radiaux par rapport audit axe (2), au moins à l'intérieur du deuxième passage (10) et sont conformés chacun en un dièdre, délimité par deux plaques externes (21, 22) ayant une arête commune (24), et, ayant une section externe en V dont la pointe est orientée vers l'amont par rapport au sens axial général (D) d'écoulement desdits gaz de combustion, caractérisé en ce que chacune des deux plaques externes (21-22) comporte une lisière aval, qui présente une dentelure (39, 40) s'étendant au moins sur une partie de sa longueur. 2. Dispositif de post-combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite dentelure (39, 40) s'étend sensiblement sur la moitié (LllA/2) de la longueur (LîlA) de la partie de la lisière contenue dans le deuxième passage (10), à partir de la deuxième paroi (7). 3. Dispositif de post-combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite dentelure s'étend sur la totalité de la longueur (LîlA) de la partie de la lisière contenue dans le deuxième passage (10). 4. Dispositif de post-combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à3, caractérisé en ce que la dentelure comprend une succession de découpes (40) de la plaque externe, qui débouchent dans la lisière et qui sont séparées l'une de la suivante par une partie pleine (39) de la lisière. 5. Dispositif de post-combustion selon la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur (L39) d'une partie pleine (39), séparant deux découpes (40) qui lui sont adjacentes, est sensiblement égale à la largeur (D40) de la partie découpée (40) de la lisière correspondant à chaque découpe. 6. Dispositif de post-combustion selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite largeur (L39) est comprise entre 1/30 et 1/50 de la longueur (LîlA) de la partie de la lisière contenue dans le deuxième passage (10). 7. Dispositif de post-combustion selon l'une quelconque des revendications 4 à6, caractérisé en ce que chaque découpe (40) est conformée en un demidisque creux, circulaire. 8. Dispositif de post-combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à7, caractérisé en ce qu'une partie (1 lob) de chaque bras accroche-flammes (11) s'étend entre les première (6) et deuxième (7) parois, à l'intérieur du premier passage (9) et comporte un évidement (15) de réception et de fixation d'un anneau (16-17) d'injection de carburant coaxial audit axe. 9. Dispositif de post-combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à8, caractérisé en ce que chaque bras accroche-flammes (11) est fixé (37) sur la première paroi (6). 10. Dispositif de post-combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à9, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième paroi annulaire (8) ayant un axe de révolution constitué par ledit axe (2), et, disposée entre cet axe (2) et la deuxième paroi (7), le deuxième passage (10) étant délimité entre lesdites deuxième (7) et troisième (8) parois.