Brevet FR2826102A1 — publié le 20021220

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des chambres de combustion pour turbines à gaz de moteurs d'avions, et plus particulièrement à celui des chambres de combustion comprenant des orifices d'injection d'air sur leurs parois. lO Une chambre de combustion pour une turbine à gaz est disposce de façon con nue à l ' intérieur d'un logement formant carter. Elle se compose de pa rois interne et externe réunies par un fond de chambre sur lequel sont montés des systèmes d'injection répartis sur une ou plusieurs têtes. Classiquement, de l'air provenant du compresseur haute-pression de la turbine est admis dans la chambre de combustion. Une fraction de cet air alimente la zone de combustion, axialement par les systèmes d'injection du fond de chambre, et transversalement par des trous d'injection d'air primaire percés dans les parois interne et externe de la chambre. Une autre fraction de cet air, dit de dilution, est également introduite de façon transversale, plus en aval dans la chambre de combustion. Son introduction s'effectue par une ou plusieurs rangées de trous répartis sur les parois interne et externe de la chambre. En raison des températures élevées régnant à l'intérieur de la chambre, les parois interne et externe de celle-ci ont généralement besoin d'être refroidies. Les chambres de combustion actuelles utilisent à cet effet des procédés de reTroidissement par films, par tuiles ou par multiperforation. La mu lti perforation consiste à pratiquer de multiples orifices d 'i njection d'ai r de reTroidissement sur les parois de la chambre afin d'obtenir un refroidissement local de celles-ci. Ce procédé de refroidissement permet de réduire la fraction d'air allouce au reTroidissement par rapport aux autres procédés et d'augmenter la fraction allouce à la combustion, ce qui rébuit la production d'émissions gazeuses indésirables. La présente invention concerne plus particulièrement ce type de procédé de refroidissement de chambre, mais elle n'est pas limitée à ce seul cas. 2 2826102 Cependant, il est connu que le pergage d'orifices de multiperforation dans le voisinage des orifices d'injection d'air de combustion primaire et d'air de dilution n'est pas souhaitable pour éviter une propagation de criques au niveau de ces orifices. Or, I'absence de refroidissement local dans cette zone se traduit par l'apparition de points chauds et de gradients thermiques qui affectent la bonne tenue en température des parois de la chambre. De plus, I'impact du mélange air - carburant sur les parois de la chambre a tendance à former des points chaubs en tout point de ia zone de combustion. Afin de résoudre ce problème, il est connu, par exemple des brevets US 104,875,339 et US 4,700,544, d'insérer dans les trous d'injection d'air des douilles ou ma nchons creux q ui défin issent des passages d 'i njection d'ai r de combustion ou de dilution et qui définissent en outre un orifice latéral pour diriger un flux d'air de reTroidissement sensiblement le long de la paroi de la chambre de combustion au voisinage immédiat des trous d'injection. Toutefois, aucune de ces solutions n'appara^t suffisante pour parvenir à diminuer les gradients thermiques qui apparaissent tout autour des trous d' injection d'air. De plus, la partie frontale de la paroi périphérique de ces douilles qui débouche dans la chambre de combustion est exposoe aux gaz chaubs. Il en résulte que les douilles ont tendance à se dégrader rapidement. Objet et résumé de l'invention La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant des douilles venant se fixer dans les trous d'injection d'air de la chambre et offrant des passages d'air de reTroidissement pour améliorer la tenue thermique des parois de la chambre de combustion autour de ces trous d'injection d'air tout en présentant une grande durce de vie. A cet effet, il est prévu une chambre de combustion pour turbine à gaz composée de parois externe et interne réunies par un fond de chambre, la chambre étant logée dans un carter de fac,on à définir entre la chambre et le carter un espace annulaire dans lequel circule de l'air destinéà la combustion, à la dilution et au refroidissement de la chambre, les parois de la chambre étant percces d'une pluralité de trous dans lesquels sont fixées des douilles déTinissant des passages d'injection d'air 3 2826102 dans la chambre de combustion, chaque douille comportant une paroi périphérique dans laquelle est formé au moins un orifice supplémentaire déLouchant dans la chambre au voisinage immédiat de la paroi de la chambre sur laquelle est fixée ladite dou i l le de sorte que l'ai r traversant cet orifice ci rcu le sensiblement le long de cette paroi, la chambre étant caractérisée en ce que la paroi périphérique de chaque douille comporte au moins une gorge s'ouvrant dans l'espace annulaire et dans laquelle débouche le ou chaque orifice de façon à alimenter celui-ci en air et à refroidir la paroi périphérique de la douille. La présence d'une gorge périphérique permet d'assurer l'alimentation en air d'un l O ou plusieurs orifices déLouchant dans la gorge, et permet d'assurer en outre un refroidissement efficace de la paroi périphérique de la douille du côté de sa face frontale exposce aux gaz chauds. La partie des douilles débouchant dans la chambre de combustion peut épouser sensiblement la concavité des parois de celle-ci afin de minimiser la dogradation du film l 5 d'air de reTroidissement. De plus, la forme du diamètre interne des douilles n'est pas forcément circulaire, elle peut correspondre à une ellipse dont le grand axe est aligné ou présente une inclinaison avec la direction du flux des gaz de combustion. Les trous d'injection d'air peuvent en outre avoir toutes les formes géométriques voulues grâce à une découpe au laser. Il est possible de jouer sur le nombre d'orifices aménagés dans la paroi périphérique des douilles, sur leur répartition sur la circonférence de la douille et sur leur débit d'air, en fonction des besoins spécifiques locaux en reTroidissement au voisinage immédiat des trous d'injection d'air. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures: - la figure l est une demi-vue en coupe axiale d'une chambre de combustion selon un mode de réalisation de l'invention; 4 2826102 - les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en coupe transversale selon trois exemples de réalisation de douilles équipant la chambre de combustion de la figure l; - la figure 3 est une vue en perspective d'une douille selon un autre exemple de réalisation de l'invention; - la figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un trou d'injection dans lequel est fixce une douille selon l'invention; - la figure 5 est u ne vue en perspective d' une dou il le selon encore un autre exemple de réalisation de l' invention. Description détaillée de modes de réalisation On se réTère d'abord à la figure l qui représente une coupe axiale d'une chambre de combustion pour une turbine à gaz de moteur d'avion. Typiquement, une turbine à gaz possède une section de compression (non représentée) dans laquelle de l'air est comprimé avant d'être introduit dans un carter de chambre l, puis dans une chambre de combustion 2 situce à l'intérieur de celui-ci. L'air est ensuite mélangé à du carburant injecté dans la chambre avant d'y être brûlé. Les gaz issus de cette combustion sont alors dirigés vers une turUine haute-pression (non représentée), avant d'être évacués. Dans l'exemple de réalisation représenté par la figure 1, la chambre de combustion 2 est du type annulaire. Bien entendu, la présente invention s'applique également à toutes autres formes de chambre. La chambre de combustion 2 est délimitée par des parois externe 2a et interne 2b réunies par un fond de chambre 2c équipé de systèmes d'injection 3 par lesquels du carburant est introduit dans la chambre. Ces systèmes d'injection sont classiquement répartis sur une ou plusieurs têtes. La présente invention s'applique indifféremment à des chambres mono ou multi-tête(s) comportant des systèmes d'injection qui assurent soit la pulvérisation du carburant de facon mécanique, aérodynamique ou pré mélangée, soit sa vaporisation. Le carter l ménage avec la chambre de combustion 2 un espace annulaire 4 dans lequel est admis de l'air comprimé destinéà la combustion, à la dilution et au refroidissement de la chambre. La chambre comprend une zone primaire ou zone de 2826102 combustion proprement dite et une zone secondaire dite de dilution située en aval de la précédente. L'air fourni à la zone de combustion est introduit axialement par le fond de chambre 2c (par l'intermédiaire des systèmes d'injections 3 par exemple), et transversalement par des trous d'injection 6 percés dans les parois externe et interne 2a et 2b de la chambre 2. L7air fourni à la zone secondaire est également introduit de façon transversale, plus en aval dans la chambre de combustion, par une ou plusieurs rangées de trous 6' répartis sur les parois interne et externe de la chambre. Le reTroidissement des parois de la chambre de combustion 2 peut être assuré par un procédé connu de multiperforations de ces parois. Néanmoins, la présente invention s'applique également à des chambres de combustion utilisant d'autres types de reTroidissement (par films, par tuiles...). Les parois externe 2a et interne 2b de la chambre de combustion 2 comportent des douilles 8 fixées dans les trous 6, 6' d'injection d'air. Ces douilles, qui sont réalisoes en fonderie de précision, ont un diamètre interne correspondant à la taille des trous d'injection et elles sont fixées dans ces derniers par plusieurs cordons de soudure ou de brasage. Pour des raisons de coût et de facilité de réparation, la fixation des douilles par soudure appara^t toutefois plus avantageuse. Les douilles 8 comprennent chacune une paroi périphérique 10 délimitant un passage central 12 pour l'air d'axe X-X au centre de la douille. Dans sa partie arrière, la paroi périphérique 10 forme une collerette 14 venant s'appuyer sur la face externe de la paroi 2a, 2b de la chambre de combustion dans laquelle est fixce ladite douille. Avantageusement, la collerette 14 est conformoe de manière à épouser la forme de la paroi de la chambre de combustion. Ces douilles 8 possèdent des moyens d'alimentation en air qui permettent d'amél iorer à la fois la ten ue therm iq ue des parois i nterne 2a et externe 2b autou r des trous d' injection 6 et 6' dans lesquels el les sont fixées, et la ten ue therm iq ue des doui lles elles-mêmes. En se réTérant plus particulièrement aux figures 2A à 2C, on voit qu'une gorge périphérique annulaire 18, par exemple sensiblement circulaire, est pratiquée dans la paroi périphérique 10 des douilles 8. Cette gorge s'ouvre à la face arrière des douilles 8 dans l'espace annulaire 4. Des orifices 16 d'injection d'air traversent la paroi 6 2826102 périphérique des douilles 8. Chaque orifice 16 débouche d'une part dans la gorge 18, au fond ou au voisinage du fond de celle-ci, et d'autre part dans la chambre de combustion au voisinage immédiat de la paroi 2a, 2b de la chambre de combustion 2 sur laquelle est fixée la douille de sorte que l'air qui traverse cet orifice est amené à circuler sensiblement le long de cette paroi. La gorge 18 constitue un canal d'alimentation des orifices 16 en air de refroidissement. L'air parcourant cette gorge assure également le reTroidissement de la paroi périphérique 10 de la douille, notamment au voisinage de la face frontale de la douille exposée aux gaz chauds. La présence de la gorge 18 réduit l'épaisseur de la paroi périphérique au niveau de la partie frontale 20 de celle-ci ce qui assure un refroidissement plus efficace. Les orifices 16 permettent de crcer un film de reTroidissement autour des trous 6, 6' d'injection d'air. Ils sont orientés de manière à minimiser les interactions entre les flux d'air I sortant de ces orifices et le flux F des gaz issus de la combustion du mélange air 1 5 carburant. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2A, les orifices 16 débouchent sensi blement pa rallèlement à la paroi 2a, 2b sur laquel le est fixce la dou i l le. Les orifices 16 débouchent dans la chambre de combustion à travers la partie frontale 20 de la douille qui fait saillie à l'intérieur de la chambre par rapport à la paroi 2a, 2b sur laquelle est fixée ladite douille. Afin de minimiser la dogradation du film d'air de reTroidissement parcourant la paroi de la chambre, la partie frontale de la douille peut être rasante par rapport à cette paroi comme représenté par la figure 2B. Dans ce cas, elle épouse une éventuelle concavité de la paroi de la chambre de combustion. La direction d'éjection d'air à travers les orifices 16 est alors différente de celle que peuvent permettre des orifices d'une douille dont la partie frontale de la paroi périphérique fait saillie à l'intérieur de la chambre de combustion. Toutefois, cette direction est inclince par rapport à l'axe de la douille de sorte que le flux d'air I sortant de ces orifices est amené à circuler toujours sensiblement le long de la paroi de la chambre. Com me représenté par la figure 2C, la pa rtie frontale 20 de la paroi périphérique des douilles peut également être semi-rasante, c'est à dire qu'elle peut faire saillie à l'intérieur de la chambre du côté aval dans le sens de l'écoulement gazeux, et être rasante à l'amont. Dans ce cas, le ou les orifices 16 peuvent déboucher dans la chambre 7 2826102 de combustion parallèlement à sa paroi au niveau de la partie frontale aval faisant saillie à l'intérieur de la chambre. Les douilles étant réalisces par exemple en fonderie de précision et les trous 6, 6' d' injection d 'ai r qu i reçoivent cel les-ci étant formés par exemple par laser, ils peuvent avoir toutes les formes désirées. Par exemple, les trous 6, 6' et les douilles 8 peuvent avoir une forme elliptique commereprésenté par la figure 3. Cette caractéristique permet de rébuire le blocage aérodynamique dû à l'écoulement de l'air de reTroidissement et d'atténuer ainsi la dégradation du film de reTroidissement au voisinage des trous d'injection. Sur cette figure 3, on voit que le grand axe Z-Z de la douille 8 en forme d'ellipse est sensiblement parallèle à l'axe F du flux des gaz issus de la combustion. Bien entendu, cet axe Z-Z peut également être incliné par rapport à l'axe F. Par ailleurs, dans cet exemple de réalisation, la douille comporte deux orifices 16 alimentés par une même gorge 18 pratiquée tout autour de la paroi périphérique 10 de la douille. Le flux d'air I sortant de ces orifices est dirigé sensiblement parallèlement à la paroi de la chambre mais est incliné par rapport à l'axe F du flux des gaz de combustion. Ce nombre d'orifices n'est pas limitatif, la douille pouvant comporter un seul ou une pluralité d'orifices dont les flux d'air sortant peuvent être sensiblement parallèles ou inclinés par rapport à l'axe F. En outre, I'axe central X-X de chaque douille 8 peut soit concider avec la normale Y-Y de la paroi de la chambre de combustion dans laquelle est fixée ladite douille, soit être incliné par rapport à celleci pour conférer au flux d'air injecté dans la chambre toue direction voulue en vue d'obtenir une meilleure homogéncisation du refroidissement dans la chambre de combustion. De plus, comme représenté par la figure 4, les trous 6, 6' peuvent avoir une forme de cercle tronqué de façon à présenter une face droite 22 qui assure une anti rotation de la douille 8 fixée dans cet orifice. El le permet en outre de positionner angulairement la douille, c'est à dire de diriger le ou les orifices d'air de refroidissement dans une direction voulue. La face 22 est représentée sur la figure 4 de façon à être sensiblement perpendicu laire à l 'axe F du fl ux des gaz de combustion, ma is elle peut également être orientée de manière différente. On décrira maintenant un autre exemple de réalisation des douilles 8, en se réTérant plus particulièrement à la figure 5. 8 2826102 La douille qui est représentée en perspective sur cette figure possède une forme sensiblement circulaire. Elle comporte quatre orifices 16a, 16b, 16c et 16d d'injection d'air angulairement répartis à intervalles réquliers sur toute sa paroi périphérique 10. Le flux d'air I sortant de ces orifices est donc réparti de façon sensiblement homogène tout autour du trou 6, 6' dans lequel est fixée ladite douille. Les orifices sont alimentés par une même gorge 18 annulaire s'étendant sur tout le tour de la paroi périphérique de la douille 8. Il est possible d'ajuster le déhit d'air sortant de chaque orifice 16 en jouant sur les dimensions de la section droite de ces orifices. On peut ainsi réaliser une répartition non uniforme des débits sur la circonférence de la douille selon que l'on souhaite un reTroidissement plus ou moins important dans les secteurs couverts par ces orifices. Cette configuration des orifices 16 d'injection peut être appliquée indifféremment à des douilles ayant une forme elliptique ou toutes autres formes. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Ainsi, on peut imaginer des douilles de toutes formes qui présentent un axe concidant ou décalé par rapport à ceux des trous dans lesquels elles sont fixces, qui possèdent un ou plusieurs orifices d'injection d'air répartis sur sa circonférence, et dont la face inférieure est rasante ou saillante par rapport aux parois de la chambre de combustion. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion (2) pour turbine à gaz composce de parois externe et interne (2a, 2b) réunies par un fond de chambre (2c), la chambre étant logée dans un carter (1) de façon à déTinir entre la chambre et le carter un espace annulaire (4) dans lequel circule de l'air destiné à la combustion, à la dilution et au reTroidissement de la chambre, les parois de la chambre étant percées d'une pluralité de trous (6, 6') dans lesquels sont fixées des douilles (8) délinissant des passages d'injection d'air dans la chambre de combustion, chaque douille (8) comportant une paroi périphérique (10) dans laquelle est formé au moins un orifice supplémentaire (16) déLouchant dans la chambre (2) au voisinage immédiat de la paroi (2a, 2b) de la chambre sur laquelle est fixce ladite dou il le de sorte q ue l 'air traversant cet orifice circu le sensiblement le long de cette paroi, la chambre étant caractérisée en ce que la paroi périphérique (10) de chaque douille comporte au moins une gorge (18) s'ouvrant dans l'espace annulaire (4) et dans laquelle déLouche le ou chaque orifice (16) de façon à alimenter celui-ci en air et à refroidir la paroi périphérique de la douille. 2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque douille (8) comporte une collerette (14) s'appuyant sur la paroi (2a, 2b) de la chambre de combustion sur laquelle est fixée la douille de façon à épouser la forme de ladite paroi. 3. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisce en ce que la partie frontale (20) de la paroi périphérique (10) de chaque douille (8) fait saillie à l'intérieur de la chambre (2) par rapport à la paroi (2a, 2b) de la chambre sur laquelle est fixée la douille. 4. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la partie frontale (20) de la paroi périphérique (10) de chaque douille (8) qui débouche dans la chambre est semi-rasante par rapport à la paroi (2a, 2b) de la chambre sur laquelle est fixée la douille. 5. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la partie frontale (20) de la paroi périphérique (10) de chaque douille qui débouche 1 0 2826102 dans la chambre est rasante par rapport à la paroi (2a, 2b) de la chambre sur laquelle est fixée la douille de façon à minimiser la dégradation du film d'air de refroidissement. 6. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisoe en ce que l'axe central (X-X) de chaque douille (8) concide sensiblement avec la normale (Y-Y) de la paroi (2a, 2b) de la chambre sur laquelle est fixée la douille. 7. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'axe central (X-X) de chaque douille (8) présente une inclinaison par rapport à la normale (Y-Y) de la paroi (2a, 2b) de la chambre sur laquelle est fixce la douille. 8. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque douille (8) possède une section droite sensiblement circulaire. 9. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque douille (8) possède une section droite sensiblement elliptique dont le grand axe (Z-Z) est sensiblement parallèle à la direction (F) du flux de gaz issus de la combustion de carburant. 10. Chambre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque douille (8) possède une section droite sensiblement elliptique dont le grand axe (Z-Z) présente une inclinaison par rapport à la direction (F) du flux de gaz issus de la combustion de carburant. 11. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trous (6, 6') d'injection d'air ont une forme sensiblement de cercle tronqué de façon à présenter une face droite (22) d'anti-rotation de la douille (8) fixée dans cet orifice. 12. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisce en ce que chaque douille (8) comporte plusieurs orifices (16a, 16b, 16c, 1 6d) angulairement répartis sur sa paroi périphérique (10). 1 1 2826102 13. Douille (8) destince à être fixée dans des trous (6, 6') d'injection d'air percés dans les parois externe et interne (2a, 2b) d'une chambre de combustion (2) pour turbine à gaz, la douille comportant au moins un passage central (12) d'injection d'air et paroi périphérique (10) dans laquelle est formé au moins un orifice supplémentaire d'injection d'air (16), la douille étant caractérisoe en ce que sa paroi périphérique comporte au moins une gorge (18) s'ouvrant dans une face arrière de la douille et dans laquelledéLouche la ou chaque orifice (16) de façon à pouvoir alimenter celui-ci en air et à reTroidir la paroi périphérique de la douille. 14. Douille (8) selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs orifices d'injection d'air (16a, 16b, 16c, 16d) angulairement répartis sur sa