Brevet FR2932250A1 — publié le 20091211

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et vise plus particulièrement le fonctionnement des chambres de combustion des moteurs à application aéronautique. Un moteur à turbine à gaz, tel qu'un moteur assurant la propulsion d'un aéronef, comprend un moyen de compression d'air qui alimente une chambre de combustion dans laquelle l'air est mélangé à un carburant et brûlé. Les gaz produits dans la chambre de combustion sont guidés à travers des roues de turbine où ils sont détendus puis évacués. Les turbines entraînent les différentes roues de compresseur, dont celle de la soufflante dans un turboréacteur. Des prélèvements de puissance sur l'arbre et d'air comprimé au niveau du compresseur sont effectués pour assurer une pluralité de fonctions auxiliaires. En particulier, on souhaite prélever de l'air dans l'espace situé immédiatement en aval du diffuseur d'air comprimé débouchant dans la chambre de combustion. L'air doit être extrait par des bouches de prélèvement réparties annulairement sur le carter de la chambre de combustion en plusieurs endroits dans cet espace annulaire. Dans la mesure où l'on assigne maintenant au moteur la fonction de fournir de l'air à l'aéronef, en quantité non négligeable d'une part et sur une large gamme de fonctionnement allant du ralenti jusqu'au régime décollage, d'autre part, ce prélèvement est susceptible d'avoir une incidence sur la qualité de la combustion. On constate ainsi en aval de la chambre, lors d'essais, l'apparition de points chauds. L'analyse du problème a montré que ces zones de températures élevées se situaient en aval dans le sillage des bouches de prélèvement d'air. Le phénomène est lié à la répartition des injecteurs de carburant autour de l'axe du moteur. En effet, la combustion dans la chambre annulaire se répartit en une pluralité de foyers de combustion situés dans le prolongement aval des injecteurs de carburant. Le carburant est injecté en amont de la chambre par des injecteurs dans des dispositifs assurant sa pulvérisation et la formation de mélanges avec l'air. Ces mélanges sont admis dans la chambre à travers des ouvertures dans le fond de chambre où ils alimentent la combustion. Les prélèvements d'air par les bouches de prélèvement, dans la mesure où ils sont nécessairement localisés, ont un effet sur la qualité de la combustion dans les foyers situés en aval, dans l'environnement immédiat de ces bouches de prélèvement. L'air extrait à travers ces bouches de prélèvement manque au foyer de combustion situé dans la même zone. Il s'ensuit dans ces zones une sur-richesse en carburant, qui conduit à une augmentation de la température des gaz de combustion, d'où un profil de température non homogène constaté en aval de la chambre. La demanderesse s'est fixé comme objectif d'améliorer le profil de température du gaz en sortie de chambre de combustion et de réduire les points chauds qui sont dommageables à la tenue des pièces dans cette zone, des distributeurs haute pression en particulier. 10 Conformément à l'invention, le moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion de forme annulaire, alimentée en air de combustion par un diffuseur d'air annulaire, au moins une bouche de prélèvement d'air étant ménagée dans le carter du moteur, est caractérisé par le fait qu'un 15 collecteur d'air annulaire est ménagé entre le diffuseur et la chambre de combustion, à partir duquel ledit prélèvement est effectué, et comprenant une paroi de collecteur, percée d'orifices par lesquels l'air est admis dans le collecteur. 20 En agençant un tel collecteur on peut faire en sorte que les flux d'air prélevés soient mieux répartis autour de l'axe de la chambre. On parvient ainsi à homogénéiser la richesse de l'air carburé par les différents systèmes d'alimentation autour de l'axe. Il s'ensuit une limitation des sillages et une amélioration de la carte de température, au plein gaz notamment, avec pour 25 conséquence une amélioration de la durée de vie des distributeurs HP en aval de la chambre de combustion. Plus particulièrement, la chambre de combustion comprenant un carénage extérieur amont formant une surface de guidage d'une veine extérieure de 30 contournement de la chambre de combustion, ladite paroi percée d'orifices forme une partie de la surface de guidage externe de ladite veine de contournement. Selon un mode de réalisation, ladite paroi de collecteur est formée d'une 35 tôle annulaire fixée d'un côté sur le diffuseur et de l'autre au carter de la chambre de combustion, ledit collecteur étant ménagé entre le carter, une bride solidaire du diffuseur et ladite paroi. Avantageusement, la tôle présente une concavité tournée vers la veine de 40 contournement de la chambre de combustion dans les zones de passage des conduits d'injection de carburant. On évite ainsi de créer des zones de ralentissement de la vitesse de l'air circulant dans cette zone.5 Les orifices sont agencés de façon que l'air soit prélevé dans ladite veine de contournement au moins partiellement dans la partie aval de ladite paroi. Notamment, le centre des orifices pratiqués dans la paroi de collecteur est à une distance (Rm) de l'axe du moteur supérieure à la distance (R) entre le bord amont du carénage extérieur de la chambre et l'axe du moteur. Également, la partie de la paroi de collecteur en vis-à-vis de ladite bouche de prélèvement d'air ne comprend pas d'orifice d'admission d'air depuis la veine extérieure de contournement dans le collecteur. Grâce à ces agencements particuliers des orifices, on réduit encore les risques de perturbation du flux d'air destiné à alimenter les zones de combustion primaire. Conformément à une autre caractéristique, la distance (P) séparant deux orifices adjacents n'est pas constante le long de la paroi de collecteur. Plus particulièrement, la distance (P) évolue d'une valeur (P2) à proximité d'une bouche de prélèvement à une valeur (Pl) à distance de la bouche de prélèvement, telle que P2>Pl. Par cette disposition, on rend plus homogène les différents flux d'air prélevés au travers des orifices d'admission dans le collecteur. On décrit maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente en demi coupe axiale une chambre de combustion de l'art antérieur, - la figure 2 représente en demi coupe axiale une chambre de combustion conforme à l'invention, - la figure 3 montre un exemple de motif des orifices prévus sur la paroi aval du collecteur d'air, et une répartition avantageuse autour de l'axe du moteur en fonction de la disposition des bouches de prélèvement sur le carter du moteur, - les figures 4 et 4a montrent la forme de la paroi dans la zone de passage des conduits d'injection de carburant. - la figure 4a est une vue partielle en coupe selon la direction AA de la figure 4a. La chambre de combustion 1 représentée sur la figure 1 appartient à l'art antérieur. Elle est disposée entre un élément 3 de la structure de carter radialement extérieur et un élément de paroi annulaire 5 intérieure. L'espace ménagé entre les deux éléments de carter 3 et 5 est ouvert à l'amont ù l'amont étant défini par rapport au sens d'écoulement gazeux- sur le diffuseur 7. Celui-ci est constitué d'ailettes s'étendant radialement entre deux couronnes cylindriques, définissant entre elles la veine d'air comprimé alimentant la chambre. Le diffuseur guide le flux d'air issu du compresseur, non visible sur la figure, vers la chambre 1. La chambre comprend deux parois annulaires, l'une intérieure 2, l'autre extérieure 4. En amont les deux parois annulaires de la chambre sont reliées par une paroi de fond de chambre 6. Les dispositifs 8 d'alimentation en air carburé sont répartis tout autour de l'axe de la chambre. Ces dispositifs comprennent un injecteur 80 de carburant avec une tête 81 de pulvérisation de carburant sur un conduit 82 qui est monté sur l'élément de carter extérieur 3 et traverse radialement l'espace entre l'élément de carter 3 et la paroi extérieure 4 de la chambre. La tête de pulvérisation 81 est disposée au centre de vrilles à entrée radiale par lesquelles l'air qui les traverse est mis en rotation, se mélange au carburant et est guidé axialement dans la chambre par les ouvertures du fond de chambre. Le mélange est allumé par la bougie 9 dont l'extrémité affleure la paroi extérieure 4 de la chambre. Les gaz de combustion, dilués par l'air admis le long des parois de la chambre depuis les deux veines de contournement, respectivement intérieures et extérieures, sont guidés par un distributeur, non représenté, vers la turbine. Un carénage 10 prolonge les parois de la chambre à l'amont et enveloppe le système formé par les dispositifs d'injection et de carburation de l'air. Le carénage est ouvert axialement à l'amont, pour le passage des conduits de carburant et l'alimentation en air de combustion. Il comprend une partie de carénage extérieure 10ext par rapport à l'axe du moteur et une partie de carénage intérieure 10int par rapport à ce même axe. Les ouvertures du carénage sont sensiblement dans le prolongement de la veine du diffuseur. L'air issu du diffuseur est ainsi guidé à l'intérieur du carénage 10, mais une partie est guidée par celui-ci dans l'espace entre les parois de la chambre et celles du carter, formant des veines de contournement de la chambre. Une partie est ainsi guidée dans l'espace annulaire entre la paroi extérieure 4 de la chambre et celle 3 du carter extérieur, formant la veine de contournement extérieure. Une autre partie est guidée entre la paroi intérieure 2 de la chambre et la paroi intérieure 5 de carter, formant la veine intérieure de contournement. Cet air est introduit dans la chambre progressivement par les orifices non visibles dont les parois de la chambre sont pourvues. Le prélèvement d'air pour alimenter les machines auxiliaires et la cabine de l'aéronef est effectué par les bouches de prélèvement 30 ménagées sur la structure du carter. Afin d'améliorer la répartition de l'air autour de la chambre de combustion quand un prélèvement est effectué en un point ou plusieurs points situés sur le pourtour du carter entourant la chambre, on prévoit conformément à l'invention de former un espace de type collecteur permettant de contrôler et d'homogénéiser le flux de l'air prélevé. La solution est représentée sur la figure 2. Les parties qui n'ont pas été modifiées par rapport à la figure 1 portent la même référence, Les autres ont été augmentées de 10. Le collecteur C est défini entre l'élément de paroi 13 du carter extérieur qui entoure la chambre de combustion 1, une bride radiale 17b du diffuseur 17 qui alimente la chambre en air comprimé et une paroi de collecteur 20. La bride 17b s'étend depuis la couronne cylindrique extérieure 17a du diffuseur, transversalement par rapport à l'axe du moteur jusqu'à l'élément 13 de paroi du carter. Elle est boulonnée à une bride 13c radiale et transversale de l'élément de carter 13. Des bouches de prélèvement d'air 13a, au moins une, sont prévues dans la paroi 13 du carter, en aval de la bride radiale 13c. La paroi de collecteur 20 s'étend transversalement par rapport à l'axe du moteur entre le diffuseur 17 et l'élément de paroi 13. La paroi de collecteur 20 est de préférence une tôle boulonnée à une bride radiale 17c, s'étendant transversalement depuis la couronne extérieure 17a du diffuseur, et à l'élément de carter 13 en aval de bouches de prélèvement 13a. La forme de la paroi de collecteur est définie de manière à ne pas perturber les lignes d'écoulement du contournement externe de [a chambre de combustion et de générer un minimum de perte de charge. Cette paroi de collecteur comprend une partie 20a dans laquelle sont percés des orifices 21 qui mettent en communication la veine de contournement extérieur de la chambre avec le collecteur C. La partie 20a a une forme divergente sensiblement tronconique, d'angle au sommet A par rapport à l'axe moteur qui est égal, de préférence, à celui B que forme le carénage 10 dans sa partie externe 10ext. Comme on le voit sur la figure 2, le centre des orifices 21 dont l'ouverture est représentée par les deux flèches opposées est à une distance Rm de l'axe XX du moteur, supérieure à la distance R entre le bord amont de la partie externe l0ext du carénage 10 et l'axe XX du moteur. La forme des orifices 21 peut être quelconque, triangulaire, carré, rectangulaire, circulaire ou ovale. Le centre est le centre géométrique. Il est à noter que les orifices 21 ne sont pas calibrant. Souhaitant perturber le moins possible l'écoulement de l'air qui n'est pas entré à l'intérieur du carénage et qui le contourne extérieurement, on perce les orifices le plus loin possible de ces entrées, donc à un rayon Rm supérieur au rayon R de ces dernières. On voit sur la figure 3 maintenant un exemple de répartition des orifices autour de l'axe du moteur pour ne pas perturber les flux. On suppose, dans cet exemple, la présence de deux bouches 13a1 et 13a2 de prélèvement d'air ménagés sur l'élément de carter 13. A partir de ces bouches on définit deux secteurs B1 et B2, centrés sur l'axe XX du moteur et s'étendant sur un arc de 20 à 30°, dans lesquels on ne perce aucun orifice dans la paroi de collecteur 20. Les orifices 21 ont une forme ici en ellipse. La distance, le pas, les séparant varie le long de la paroi 20. Ainsi sur le petit secteur d'angle entre les deux bouches de prélèvement 13a1 et 13a2, le pas est P. Le long du secteur entre le point D û éloigné des bouches de prélèvement - et le secteur B1, le pas varie d'une valeur Pl à une valeur P2 à proximité du secteur B I. Il en est de même le long du secteur entre le point D et le secteur B2. P2 est supérieur à pi, par exemple P2 est compris entre 1,5 et 2 fois P1. P est compris entre pl et P2. Il s'agit de rendre l'écoulement (flèches F) à l'intérieur du collecteur C aussi homogène que possible. Ainsi la variation du débit d'air cumulé à l'intérieur du collecteur est moins importante au niveau de la sortie des bouches de prélèvement qu'au niveau du point I) éloigné de ces bouches. On a représenté sur les figures 4 et 4a, une variante de forme de la tôle formant la paroi de collecteur. Cette tôle 20' comprend une concavité 22' dans la zone de passage des conduits 82 des dispositifs d'injection du carburant dans la chambre de combustion. Cette concavité est tournée vers le carénage 10ext. Le but est d'assurer un passage d'air de contournement suffisant à cet endroit. Revendications1. Moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion (1) de forme annulaire, alimentée en air de combustion par un diffuseur d'air annulaire (17), au moins une bouche de prélèvement d'air (13a) étant ménagée dans le carter (13) du moteur, caractérisé par le fait qu'un collecteur d'air annulaire (C) est ménagé entre le diffuseur (17) et la chambre de combustion (1) à partir duquel ledit prélèvement est effectué, ledit collecteur comprenant une paroi de collecteur (20) percée d'orifices (21) par lesquels l'air est admis dans le collecteur (C). 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication précédente dont la chambre de combustion (1) comprend un carénage amont (l0ext) de guidage d'une veine de contournement de la chambre de combustion, ladite paroi de collecteur (20) percée d'orifices (21) formant une partie de surface de guidage externe de ladite veine de contournement. 3. Moteur à turbine à gaz selon la revendication précédente, dont ladite paroi de collecteur (20) est formée d'une tôle annulaire fixée d'un côté sur le diffuseur (17) et de l'autre au carter (13) de la chambre de combustion, ledit collecteur (C) étant ménagé entre le carter (13), une bride (17a) solidaire du diffuseur et ladite paroi de collecteur (20). 4. Moteur selon la revendication précédente, dont la tôle présente une concavité tournée vers la veine de contournement de la chambre de combustion dans les zones de passage des conduits (80) d'injection de carburant. 5. Moteur à turbine à gaz selon l'une des revendications 2 et 3 dont les orifices (21) sont agencés de façon que l'air soit prélevé dans ladite veine de contournement au moins partiellement dans la partie aval de ladite paroi de collecteur (20). 6. Moteur selon la revendication précédente dont le centre des orifices (21) est à une distance (Rm) de l'axe du moteur supérieure à la distance ( R) entre le bord amont du carénage (l0ext) et l'axe du moteur. 7. Moteur à turbine à gaz selon l'une des revendications 2 à 4 dont la partie de la paroi de collecteur (20) en vis-à-vis de ladite bouche de prélèvement d'air (13a) ne comprend pas d'orifice d"admission d'air depuis la veine de contournement dans le collecteur. 8. Moteur à turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes dont la distance (P) séparant deux orifices (21) adjacents n'est pas constante le long de la paroi de collecteur (20). 10 9. Moteur à turbine à gaz selon la revendication précédente dont la distance (P) évolue d'une valeur (P2) à proximité d'une bouche de prélèvement (13a) à une valeur (Pl) à distance de la bouche de prélèvement (13a), telle que P2>P 1. 15